某高速公路桥梁抗震设计分析

某高速公路的桥梁抗震设计分析

摘要：本文作者结合工作经验对某高速公路的桥梁抗震设计进行分析，以期参考交流。

关键词：高速公路；桥梁；抗震设计；

中图分类号： u412.36+6 文献标识码： a 文章编号：

1、工程概况

某高速公路项目路线主要沿河谷布设，桥梁数量较多，但主要以２０ｍ和２５ｍ装配式预应力混凝土连续箱梁桥为主，上部结构采用２００８版通用图，下部结构多采用圆柱式桥墩、柱式或板凳式桥台，桥高在２０ｍ以下，本文主要介绍设计中对这些常规桥梁进行抗震设计的情况。

2、计算模型及主要参数

本项目抗震分析主要依据《公路桥梁抗震设计细则》（ｊｔｇ／ｔｂ０２－０１—２００８）（以下简称《细则》）进行。根据《中国地震动参数区划图》（ｇｂ１８３０６—

，项目所在区域地震动峰值加速度为０．２０ｇ，场地特征周期为０．４５ｓ。根据《细则》，这些常规桥梁均为ｂ类桥梁，且进一步判断为规则桥梁，地质条件较好，地基土主要是中密或密实卵石，地基土的比例系数ｍ取为４００００ｋｎ／ｍ２。计算采用多振型反应谱法进行，建模采用ｍｉｄａｓ／ｃｉｖｉｌ２０１０软件，上部结构采用梁格模型，下部结构采用空间杆系模型，上下部结构之间的连接采用弹性连接，弹簧刚度根据采用的支座按《细则》

计算，桩与土的相互作用采用土弹簧进行模拟，弹簧刚度计算按照《公路桥涵地基与基础设计规范》进行，并考虑了２．０的动力系数。图１、图２分别是５×２０ｍ和６×２５ｍ两种典型跨径装配式预应力混凝土连续箱梁模型图。

图1 抗震分析模型（5x20m）图2 抗震分析模型(6x25m)

3、分析过程

模型建立后，分别进行ｅ１和ｅ２地震作用下的抗震计算，其中墩柱作为延性构件考虑。

3.1 ｅ１地震作用下的计算

本阶段是弹性计算，计算后应用计算结果对墩柱、盖梁、基础进行强度验算。

3.2 ｅ２地震作用下的计算

对于矮墩（高宽比＜２．５），计算后应用计算结果对墩柱、盖梁、基础进行强度验算。

对其他桥墩（高宽比≥２．５），按下列过程进行计算。

3.2.1 墩柱ｐ－ｍ－φ曲线计算

ｅ２作用下，墩柱往往进入弹塑性阶段，进行这个阶段分析时，墩柱的轴力—弯矩—曲率曲线（即ｐ－ｍ－φ曲线）是重要的计算参数。提供ｍ－φ曲线计算功能的程序较多，ｍｉｄａｓ／ｃｉｖｉｌ也提供了这一功能，但需注意的是，计算时采用的约束混凝土本构关系采用的一般是ｍａｎｄｅｒ模型，该模型中的混凝土抗压强度参数采用的是圆柱体抗压强度，而我国规范中混凝土强度参数

采用的是立方抗压强度，因此计算时一般要乘以０．８５的换算系数。本文计算采用的是ｘｔｒａｃｔ软件，其中的材料参数均采用《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（ｊｔｇｄ６２—２００４）中的值。

计算中采用的轴力，即“ｐ－ｍ－φ”中的“ｐ”值，《细则》7.4.4中规定为“最不利轴力组合”，此处取为ｅ２地震作用下最大轴力与恒载轴力的合力。通过计算可以得到形如图3的曲线。

图3ｍ－φ曲线

3.2.2 顺桥向位移验算

根据《细则》7.4.3计算其最大容许转角，根据《公路桥梁抗震设计细则》7.4.7计算得顺桥向墩顶容许位移。根据ｍ－φ曲线，利用《细则》6.1.6式计算得截面有效抗弯惯性矩：

ｉｅｆｆ＝ｍｙφｙｅｃ将ｍｉｄａｓ／ｃｉｖｉｌ模型中桥墩的截面抗弯惯性矩用上面计算的结果替代，进行ｅ２作用下的计算，得墩顶最大顺桥向位移并进行验算。

3.2.3 横桥向位移验算

根据根据《细则》7.4.8，采用ｍｉｄａｓ／ｃｉｖｉｌ２０１０对桥墩进行ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析，计算得塑性铰达到最大容许转角时的墩顶位移，其即为容许位移。将ｍｉｄａｓ／ｃｉｖｉｌ计算模型中桥墩的截面抗弯惯性矩用截面有效抗弯惯性矩替代，进行ｅ２作用下的计算，即得墩顶最大横桥向位移并验算。

2.3 能力保护构件计算

根据《细则》6.8条、7.3条进行对墩柱抗剪、盖梁抗弯抗剪，桩基强度进行验算。

2.4 墩柱体积含箍率验算

根据《细则》8.1.2条，对塑性铰区域配箍率进行验算。

4、计算结果及配筋设计方案

墩柱的配筋设计可根据静力计算和ｅ１作用计算结果配置主筋。再以墩柱配筋作为输入进行ｅ２作用计算和能力保护构件计算，确定墩柱抗剪箍筋和桩基、盖梁主筋和箍筋配置。

经计算发现，对本项目常规桥梁（墩高在２０ｍ以下，跨径２０ｍ、２５ｍ），在静力作用和ｅ１作用下的计算内力较小，所需配置的钢筋较少，大部分按构造配筋即可。《细则》规定墩柱的最小配筋率为０．６％，根据以前用《公路工程抗震设计规范》（ｊｔｊ００４—８９）计算的经验，该配筋率偏低。参考美国加州《ｃａｌｔｒａｎｓｓｅｉｓｍｉｃｄｅｓｉｇｎｃｒｉｔｅｒｉａ》（《细则》中很多计算方法和理论与该规范一致），将墩柱配筋率控制在１％左右，经验算均通过。在根据能力保护原则计算桩基配筋后发现桩基配筋较柱有大幅增加，为便于桩基和柱钢筋的绑扎，在必要时将桩基钢筋每两根一束布置，使其束数与柱主筋一致，但因此增加了桩基主筋数量，鉴于桩基弯矩随深度减弱较快，分批将主筋截断以节约造价。根据上述原则两种典型跨径不同墩高下的配筋设计结果见表１

表１部分桥梁配筋结果

从上述计算结果中可发现以下规律。

１）在本项目所在区域和公路等级条件下，能力保护构件计算控制构件配筋。

２）由于采用了能力保护构件设计，作为能力保护构件的桩基础，其主筋配置较《细则》发布前大大增加，配筋率较墩柱大，且墩柱越矮，所需配置的钢筋越多。

3）墩柱箍筋较以前增加很多，有些同样，墩柱越矮，所需配置的箍筋也越多。在《细则》颁布之前，箍筋往往采用直径８ｍｍ或１０ｍｍ的光圆钢筋，其间距１５～２０ｃｍ，柱顶底加密区也仅加密为间距１０ｃｍ。而根据《细则》能力保护构件计算的箍筋，在塑性铰范围内，需采用直径１２ｍｍ甚至１６ｍｍ的螺纹钢筋，间距小至８ｃｍ。

5、结语

通过本项目所做的分析及与以前设计的对比发现以下结论。

１）《细则》实施后对桥梁的抗震能力进行了有针对性的加强。２）《细则》对于墩柱的抗弯并没有提高要求，以前设计的桥梁墩柱，仍可满足要求。

３）由于采用了能力保护设计原则，能力保护构件的承载能力是根据相邻构件的承载能力确定的，所以墩柱的钢筋配置越多，则桩基的配筋、塑性铰区域箍筋、盖梁配筋就越多。

４）由于墩柱越矮，其承载能力越高，导致越矮的墩柱，其塑性铰区域箍筋及与其相邻的桩基、盖梁配筋就越多。尽管《细则》