雙幅式和單幅式門架橋墩抗震性能對比分析

周 煒

（甘肅省交通科學研究院集團有限公司，甘肅 蘭州 730030）

中國處于世界兩大地震帶即環太平洋地震帶和亞歐地震帶之間，是一個強震多發國家，地震的特點是發生頻率高、強度大、分布范圍廣、傷亡大、災害嚴重。公路橋梁是生命線系統工程中的重要組成部分，橋梁結構在地震中的可使用性和完整性，是對整個生命線的有力保證。因此，在工程設計中應加強對橋梁抗震的研究，采取合理的橋梁結構和有效的橋梁抗震措施，保證橋梁結構的安全，減少地震損失。據統計，汶川地震受損橋梁6 140余座，橋梁的震害慘狀警示著工程設計人員在橋梁結構設計時必須考慮地震的危害性，特別是山區高速公路橋梁，由于地質復雜多變，地形縱、橫向高差大，存在著許多斜坡、陡崖，同時地質上多有崩塌、滑坡等，應更加注重橋梁抗震性能設計[1-2]。

在橋梁設計中，橋梁下部結構應根據山區地形、地質情況，結合橋梁受力，合理布置，做到安全、耐久、適用、經濟、美觀?，F階段橋梁地震響應分析方法主要有反應譜法，時程分析法[3]，Pushover方法[4-5]，擬靜力法等。

1 工程概況

某山區高速公路特大橋，橋梁上部結構采用預應力混凝土小箱梁，橋梁位于雙幅式路基段，橋梁上部結構為預應力混凝土小箱梁，先簡支后結構連續，下部結構采用雙幅四墩柱型式。在橋尾處橋梁橫向地形存在陡坡，根據邊坡地質地形條件及岸坡穩定性分析成果，擬采用雙幅式門架墩和單幅式門架墩2種方案[6]。

方案一為左右幅橋梁方案，62#、63#、64#、65#橋墩采用雙幅式門架墩，如圖1所示。

圖1 雙幅式門架墩

方案二為左幅路基右幅橋，右幅62#、63#、65#橋墩加長帽梁變為單幅式門架墩，如圖2所示。

圖2 單幅式門架墩

雙幅式門架墩和單幅式門架墩橫斷面如圖3、圖4所示。

圖3 雙幅式門架墩

圖4 單幅式門架墩

雙幅式門架墩和單幅式門架墩具體尺寸見表1。

表1 門架墩尺寸單位：m

2 橋梁抗震有限元計算結果及分析

2.1 有限元模型建模

根據《中國地震動峰值加速度區劃圖》（GB 18306—2015），工程區域地震動峰值加速度為0.1 g，反應譜特征周期為0.45 s，橋梁場地類型為Ⅱ類場地。

橋梁結構的抗震性能設計采用兩水準設防，兩階段設計的抗震設計思想。第一階段的抗震設計，采用彈性抗震設計，第二階段的抗震設計，采用延性抗震設計方法，按能力保護設計計算原則。第一階段的抗震設計,即對應E1 地震作用[7]的抗震設計。第二階段的抗震設計，即對應E2 地震作用[8]的抗震設計，保證了結構具有足夠的延性能力，通過驗算，確保結構的延性能力大于延性需求。通過抗震構造措施設計，確保結構具有足夠的位移能力[9]。

本橋梁采用的是裝配式結構，根據《公路橋梁抗震設計規范》（JTG/T 2231-01—2020），確定本橋梁為B 類橋梁。橋梁抗震基本烈度為7 度，設防措施等級為8度等級[10]。

橋梁的設防目標按照《公路橋梁抗震設計規范》（JTG/T 2231-01—2020）中確定的B類橋梁的抗震設防目標，見表2。

表2 抗震設防目標

采用SAP2000 有限元分析軟件建立部分橋梁計算模型，其中主梁、橋墩、樁基和系梁等均采用梁單元進行模擬[11]。支座采用彈簧單元進行模擬。支座的縱向剪切剛度按公路橋梁抗震設計細則中的要求進行計算。為了考慮樁土相互作用[12]，參考該橋的地勘資料，采用M 法計算土彈簧的剛度，選擇M動=2×M靜進行計算。有限元模型如圖5、圖6所示。

圖5 雙幅式門架墩有限元計算模型

圖6 單幅式門架墩有限元計算模型

對抗震計算模型進行橋梁動力特性分析，橋梁的前十階頻率見表3所列。

表3 橋梁前十階振型單位：Hz

2.2 加速度反應譜

橋梁抗震設計采用相關規范規定的設計反應譜。阻尼比為0.05的水平設計加速度反應譜S由式（1）確定：

式中：Tg為特征周期（s）；T為結構自振周期（s）；Smax為水平設計加速度反應譜最大值。

水平設計加速度反應譜最大值由式（2）確定

式中：Ci為抗震重要性系數；Cs為場地系數；Cd為阻尼調整系數；A為水平向設計基本地震動加速度峰值。

橋梁的阻尼取值為5%。

在橋梁具體分析中分別選取了前100 階陣型，按CQC 法進行組合，地震反應譜曲線如圖7、圖8所示。

圖7 E1地震反應譜曲線

圖8 E2地震反應譜曲線

2.3 E1、E2地震分析

根據恒載和地震作用下對各橋墩與最不利受力單柱的控制截面進行彎矩-曲率分析，得出各控制界面的初始屈服彎矩和等效屈服彎矩，進行結構抗震性能驗算，墩柱的初始彎矩為截面最外層鋼筋首次屈服（考慮相應軸力）時對應的彎矩，等效屈服彎矩為根據截面M-φ分析（考慮相應軸力），把截面M-φ曲線等效為雙線性所得到的等效屈服彎矩[13]。

根據表4—表7 可以看出，在E1、E2 地震作用下，橋墩、樁基礎的主要截面均基本保持彈性，滿足B 類橋梁在E2 地震作用下不致倒塌或產生嚴重結構損傷，經臨時加固后可供維持應急交通使用的抗震設防的目標要求。

表4 雙幅式門架墩E1地震作用下墩柱主要截面內力驗算表

表5 雙幅式門架墩E2地震作用下墩柱主要截面內力驗算表

表6 單幅式門架墩E1地震作用下墩柱主要截面內力驗算表

表7 單幅式門架墩E2地震作用下墩柱主要截面內力驗算表

3 橋梁雙幅式門架墩與單幅式門架墩抗震對比分析

E1 地震作用下，橋梁順橋向、橫橋向雙幅式門架橋墩彎矩安全系數與單幅式門架墩橋墩彎矩安全系數對比，如圖9、圖10所示。

圖9 順橋向橋墩彎矩安全系數

圖10 橫橋向橋墩彎矩安全系數

E2 地震作用下，橋梁順橋向、橫橋向雙幅式門架橋墩彎矩安全系數與單幅式門架墩橋墩彎矩安全系數對比，如圖11、圖12所示。

圖11 順橋向橋墩彎矩安全系數

圖12 橫橋向橋墩彎矩安全系數

由以上各圖可知，在橫向陡坡處橋梁，雙幅式門架墩橋墩墩高差較小，橋墩在E1 和E2 地震作用下，較單幅式門架墩安全系數更高，抗震效果更好。

4 結語

文章以某山區高速公路特大橋為例，在橋梁橫向地形受限的情況下，提出雙幅式門架墩和單幅式門架墩方案，采用有限元軟件建立了雙幅式門架墩、單幅式門架墩空間抗震有限元分析模型，分析了橋梁動力特性，根據橋址區地震動參數，得到橋梁在E1 和E2 地震作用下的時程波，根據橋梁地震反應分析結果，對橋梁墩柱的抗震性能進行了驗算，通過能力/需求的對比分析，得出雙幅式門架墩和單幅式門架墩均滿足結構抗震要求，但從安全儲備的角度來看，雙幅式門架墩的抗震性能更具優勢。