魯傳安

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

1 概述

近年來我國經(jīng)濟得到了迅猛發(fā)展，城市土地資源的稀缺及橋梁建設用地的緊張日顯突出。為了在有限的土地資源上極大地提高城市交通的使用效率、改善橋梁通行條件，雙層高架橋便應運而生，其中以上層市政高架道路下層軌道交通的雙層高架應用越來越廣泛[1]。雙層高架橋結(jié)構(gòu)比較復雜，震害與一般高架有所不同。在1989年洛馬普里埃塔（Loma Prieta）地震中，美國舊金山海灣地區(qū)的雙層高架橋大多出現(xiàn)了損傷，其中賽普拉斯（Cypress）雙層高架橋的倒塌造成了較大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。從而引起了廣大學者對雙層高架橋抗震性能研究的重視，也取得了一定的研究成果[2]、[3]。

本文基于國內(nèi)某工程實例，針對上層公路下層軌道交通的雙層高架橋進行分析。該工程采用橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)簡支箱梁結(jié)構(gòu)，其中以混凝土箱梁為主，輔以跨路口的大跨徑鋼砼疊合箱梁。上層橋?qū)?8 m，下層軌道交通單線寬4.3 m，雙線寬8 m，標準跨徑為30 m、35 m及40 m三種。下部結(jié)構(gòu)采用門式墩和獨柱墩兩種形式，基礎為鉆孔灌注樁。典型獨柱墩及門式墩立面布置圖如圖1、圖2所示。本文橋墩采用延性抗震設計方法，即墩柱按延性構(gòu)件設計，橫梁、塑性鉸區(qū)抗剪及樁基礎按能力保護構(gòu)件設計。

圖1 門式墩立面布置圖

2 動力計算模型及動力特性

2.1 動力計算模型

圖2 獨柱墩立面布置圖

為了研究比較兩種橋墩的抗震性能，分別選取兩聯(lián)標準跨徑為40 m且為標準寬度的橋梁結(jié)構(gòu)進行抗震分析，同時為了考慮相鄰結(jié)構(gòu)的影響，建模時將相鄰橋跨也一并模擬，兩個模型選取的墩柱總高度也基本一致，在25 m～29 m之間。

主梁和橋墩均采用空間梁單元模擬。在支座模擬時，將彈性支座處理為主梁和墩頂采用彈簧單元模擬，由于主梁和墩頂之間每排均設有多個支座，在模型中均進行了適當?shù)暮喜?。在地震反應分析中，考慮到樁基礎的剛度和土層的特性對結(jié)構(gòu)地震響應的影響，橋梁樁基礎通過在承臺底部加上六個方向的彈簧來模擬樁基礎的作用。為了能更真實模擬實際情況，建模過程中考慮了上層橋面連續(xù)部分的影響，而下層是軌道交通,建模時把軌道對主粱的連接作用也考慮進去。門式墩及獨柱墩動力計算模型分別如圖3、圖4所示。

圖3 門式墩動力計算模型

圖4 獨柱墩動力計算模型

2.2 動力特性

分析和認識橋梁的動力特性是進行結(jié)構(gòu)抗震性能分析研究的基礎，根據(jù)圖3、圖4的動力計算模型，對兩種橋墩結(jié)構(gòu)模型進行動力特性分析，結(jié)果如表1所列。

由表1可知，兩個模型的第一階振型均為縱飄，表明縱向剛度均較橫向剛度小。而門式墩模型第一階振型周期短于獨柱墩，說明門式墩縱向剛度大于獨柱墩。其次，門式墩模型第一階橫向振型出現(xiàn)在第7階，獨柱墩模型第一階橫向振型出現(xiàn)在第3階，可見門式墩橫向剛度更大。

3 反應譜分析

在前述動力特性分析所采用的結(jié)構(gòu)有限元模型中，分別輸入50 a10%超越概率（相當于E1地震）及50 a3%超越概率（相當于E2地震）、阻尼比為5%的場地加速度反應譜，反應譜見圖5所示。輸入方向組合分別為：縱向＋豎向和橫向+豎向。計算結(jié)果取前300階進行組合，組合方式為CQC組合，計算結(jié)果匯于表2～表5。

表1 結(jié)構(gòu)的動力特性表

圖5 地震影響系數(shù)反應譜圖示

由表2～表5可知，橫梁地震反應門式墩均大于獨柱墩，特別是橫向地震反應門式墩遠大于獨柱墩，門式墩剪力效應一般都大于獨柱墩，而彎矩效應則是除上層柱頂位置外，其余均是門式墩縱向大，獨柱墩橫向大?？梢?，大部分的地震反應均是門式墩較獨柱墩大。兩者上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量一致，而且墩柱高度也接近。造成這一現(xiàn)象的主要原因是兩者動力特性差異。由前述動力特性可知，門式墩周期要低于獨柱墩，對應的反應譜值則是門式墩大，從而地震反應也相應較大。獨柱墩下柱和上柱底彎矩較大的原因，則是獨柱墩為靜定體系，橫向受力主要由立柱承擔，門式墩則由于本身的框架體系，橫向受力由立柱和橫梁共同承擔。

表2 墩柱E1地震反應一覽表（50 a10%）

表3 墩柱E2地震反應一覽表（50 a3%）

表4 橫梁E1地震反應一覽表（50 a10%）

表5 橫梁E2地震反應一覽表（50 a3%）

根據(jù)抗震規(guī)范對關鍵截面強度進行驗算,結(jié)果表明，在E1地震作用下，獨柱墩墩身、樁基礎滿足強度抗震要求。在E2地震作用下，橫橋向獨柱墩墩底發(fā)生屈服。橋墩上、下橫梁滿足強度抗震要求；門式墩下層柱底、上層柱頂?shù)捉孛嬖谒疁蔈I地震作用下，橫向抗彎能力已不能滿足需求，在E2地震作用下，除上層柱頂截面縱向未屈服以外，其余均進入屈服狀態(tài)。樁基礎在E1地震作用下強度滿足要求。門式墩的上下橫梁強度滿足抗震要求。

4 非線性時程分析

根據(jù)反應譜的分析結(jié)果，可以知道在E2地震下大部分墩柱發(fā)生損傷。因此，為了確保在該水準地震作用下，各構(gòu)件滿足預期的抗震性能要求，尤其是墩柱進入損傷后的延性變形情況，需采用非線性時程分析方法進行分析。

在時程計算中，墩、柱的非線性特性通過采用集中塑性鉸梁單元模擬。在每個墩的屈服位置設置一個塑性鉸。塑性鉸的參數(shù)根據(jù)墩、柱的截面的實際配筋情況計算的彎矩-曲率關系來確定。

時程分析的地震輸入組合為縱向＋豎向和橫向＋豎向，豎向加速度取為橫向或者縱向的0.5，考慮到地震動的隨機性，對符合概率水準的六條地震波進行了計算，取其平均值作為時程計算的結(jié)果。同時，對塑性鉸變形、塑性鉸區(qū)域抗剪及樁基進行驗算，表6、表7有代表性地列出了E2地震下墩底截面塑性鉸地震響應及驗算結(jié)果。門式墩其余位置塑性鉸驗算及樁基驗算結(jié)果限于篇幅未列出。

表6 E2地震墩底截面塑性鉸轉(zhuǎn)角能力驗算結(jié)果表（單位：rad）

表7 E2地震墩底截面塑性鉸位置抗剪能力驗算結(jié)果表（單位：kN)

通過表6、表7所列的驗算結(jié)果可知，在反應譜分析發(fā)生屈服的橋墩墩柱，發(fā)生的最大塑性轉(zhuǎn)角小于容許的塑性轉(zhuǎn)角，表明變形是滿足要求的。塑性鉸位置的墩身抗剪能力都滿足抗震要求。門式墩與獨柱墩墩底塑性鉸轉(zhuǎn)角變形及剪力基本接近，說明屈服后兩者墩底性能基本一致。根據(jù)樁基礎驗算結(jié)果，在E2地震下橫橋向，兩種橋墩樁基均發(fā)生屈服，不能滿足能力保護構(gòu)件設計要求，需要加強樁基礎設計。

5 結(jié)論

通過以上分析，可以得到以下主要結(jié)論：

（1）兩種橋墩的動力計算模型第一階振型均是主梁的縱飄振型，但是門式墩模型周期較獨柱墩短，且門式墩橫向振型出現(xiàn)階數(shù)較高。

（2）門式墩和獨柱墩上下橫梁均未發(fā)生損傷進入屈服狀態(tài)，說明橫梁設計符合能力保護構(gòu)件設計要求。

（3）反應譜分析地震反應，總體上門式墩比獨柱墩大。獨柱墩立柱在E1地震作用下仍處于彈性狀態(tài)，在E2地震下僅墩底發(fā)生屈服；門式墩立柱部分關鍵截面在E1地震下已發(fā)生損傷，在E2地震下，除上層柱頂縱向未屈服以外，其余均發(fā)生屈服。

（4）非線性時程分析表明，兩種橋墩的塑性鉸轉(zhuǎn)角變形及抗剪性能比較接近，且均能滿足抗震要求。

[1]孫建淵，陳階亮.城市橋梁雙層交通的概念設計[J].橋梁建設，2006，（2）:39-42.

[2]張潔，李建中，管仲國.雙層高架橋擬靜力實驗研究[J].結(jié)構(gòu)工程師，2012，28（6）:128-133.

[3]彭天波，李建中，范立礎.能力設計方法在雙層高架橋梁抗震設計中的應用[J].世界橋梁，2009，（1）:12-15.