刘涛

（兰州市城市建设设计院，甘肃兰州 730030）

0 引言

新建五O四厂黄河大桥主桥为3跨预应力混凝土连续箱梁桥，桥跨布置为(68.8+125+68.8)m（见图1）。桥墩采用实体式矩形桥墩，钻孔灌注桩基础。上部结构为单箱单室的变截面梁，跨中梁高为3.0 m，支点梁高为7.0 m。桥面宽为18.0m，其中行车道宽为14.0 m。1#墩为制动墩，2#墩采用高桩承台，从桩顶算起有9.1 m高度的桩身位于库区蓄水水位线以下。抗震设防烈度为8度，场地特征周期为0.45 s，场地类别为Ⅱ类，抗震设计分组为第三组。

五O四厂黄河大桥具有大跨、梁重，深水区的高桩承台结构特点，位于高烈度地震区，地震作用控制设计，很具有代表性。为了给类似工程的抗震设计提供借鉴,本文详细介绍了五O四厂黄河大桥的抗震设计方法，重点介绍了提高结构抗震性能的减、隔震设计方法。

1 自振特性分析

结构系统无阻尼自由振动的频率和相应振型是结构体系的重要动力特征，分析和认识桥梁的动力特性是进行地震反应分析和抗震设计的基础。建立全桥有限元分析模型（见图2），进行自振特性分析。梁及桥墩采用空间梁单元模拟，固定及活动支座均采用理想约束，将河床底以上的桩身用梁单元模拟，同时将桩身在河床底面处固结。考虑桥上二期恒载（含桥面铺装、栏杆、防撞墙）。1#墩承台底桩基的边界条件简化成弹簧模拟，弹簧的刚度用m法计算。自振周期及相应振型列于表1，示于图 3。

2 地震反应分析及抗震性能评估

2.1 E1水准地震反应分析与抗震性能评估

顺桥向X和横桥向Y两个方向分别考虑水平向地震作用，按反应谱法计算地震作用，2#墩动水压力根据《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01-2008）计算。与恒载组合后的内力见表2所列。

五O四厂黄河大桥1#及2#桥墩采用矩形截面，截面尺寸为9.0 m（横向）×3.5 m（纵向），截面配筋率为0.62%。1#墩及2#墩的桩基础为钻孔灌注桩基础，桩径为2.0 m，截面配筋率为0.59%。桥墩的抗震验算，见表3所列，桩基础的抗震验算见表4所列。

2.2 E2水准地震反应分析与抗震性能评估

该桥未做场地地震安全性评价，抗震设计采用距该桥位8 km的桥梁地震安全性评价地震波，输入的3条水平加速度地震波,2#墩的桩采用考虑轴力变化的纤维梁单元模拟,非线性时程分析方法计算结构关键部位的位移与内力，计算结果列于表5。

E2地震作用下，应验算桥墩潜在塑性铰区域沿纵桥向和横桥向的塑性转动能力、桥墩塑性铰区的斜截面抗剪能力验算与桩身强度。固定墩的顺桥向地震作用控制设计，其墩底塑性铰区的转动能力验算列于表6。桥墩塑性铰区的抗剪能力验算列于表7。

2.3 结果分析

图1 五O四厂黄河大桥立面图（单位：cm）

图2 全桥有限计算模型

表1 前五阶自振特性一览表

图3 第2振型

表2 恒载与地震作用组合后结构内力一览表

由表3及表4可以看出，E1水准地震作用下五O四厂黄河大桥的桥墩与桩基础不损坏，满足了B类桥梁抗震设防类别。

由表5～表7可以看出，在E2水准地震动作用下，制动墩（1#）的塑性铰区转角满足要求，但塑性铰区的抗剪能力不满足要求。横向输入地震动时，2#墩的桩顶与桩底均会出现塑性铰区，有约2倍的位移延性，不能够满足《细则》的抗震设防要求。桩身在地震中出现了塑性铰，这是由于处于库区水中的2#墩采用高桩承台，缺少土的侧向约束，桩身承受的地震作用较大。

表3 桥墩抗震验算一览表

表4 桩基础抗震验算一览表

表5 非线性地震反应一览表

可以通过增加桥墩的箍筋来提高桥墩抗剪强度，增大桩身的截面及配筋来提高桩身强度，也可以采用减、隔震措施来减小结构所受的地震作用，以提高结构的抗震性能。该桥梁顺桥向第一周期相对较小（0.693 s），因此该桥采用了减、隔震技术。

表6 墩底顺桥向塑性转角验算一览表

表7 桥墩的抗剪强度计算结果表

3 摩擦摆支座减隔震分析及抗震性能评估

3.1 摩擦摆支座设计技术参数

摩擦摆支座的曲率半径R=1.5 m时，摩擦摆系统的隔震周期 T=2π

=2.432（ s） ，约为隔震前结构周期（1.443 s）的1.7倍。取摩擦系数μ=0.03，摩擦摆支座的主要设计参数，列于表8。摩擦摆隔震支座平面布置示于图4。1-双向活动支座；2-纵向活动、横向摩擦摆；3-纵向活动、横向摩擦摆；4-固定摩擦摆支座；5-双向活动支座；6-纵向活动、横向摩擦摆；7-双向活动支座；8-纵向活动支座、横向摩擦摆

表8 一个支座主要设计参数表

图4 摩擦摆隔震支座平面布置图

3.2 摩擦摆支座分析模型

地震中摩擦摆支座的恢复力模型可简化成图5所示的双线性滞回模型。

图5 摩擦摆支座的滞回模型

图中：μ为动摩擦系数；W为竖向荷载；Ki为初始刚度，Ki=μW/Dy；Kfps为摩擦摆支座的摆动刚度，Kfps=W/R；R 为曲率半径；Dy为屈服位移；Dd为极限位移。

3.3 摩擦摆支座减隔震分析结果

摩擦摆支座减隔震的时程反应结果列于表9～表 11。

表9 顺桥向时程反应一览表

表10 横桥向时程反应一览表

表11 墩梁相对位移一览表

固定墩的顺桥向地震作用控制设计，其验算列于表12。桥墩抗弯强度计算列于表13。

表12 墩底顺桥向抗弯验算表

表13 桥墩的抗剪强度计算表

由表9～13可知，桥墩在E2水准地震作用下，隔震后墩底的最大弯矩小于桥墩的初始屈服弯矩，桥墩处于弹性状态，在桥墩的延性能力满足《公路桥梁抗震设计细则》的抗震设防要求。E2水准地震作用下，隔震后桥墩的抗剪强度基本满足要求。隔震后固定墩E2水准最大弯矩小于E1水准最大弯矩，因此隔震后顺桥向固定墩的桩身强度满足要求，达到了大震不坏的设防水准。2#墩桩的验算结果见表14所列。

表14 桩基础抗震验算表

4 结语

本文以五O四厂黄河大桥工程背景，研究了高烈度地震区大跨度高桩承台桥梁抗震及减、隔震设计关键技术措施，重点探讨了大跨度高桩承台连续梁桥的支座减、隔震设计。结果表明，抗震设计时强震下横桥向高桩承台的桩顶与桩底均会出现塑性铰；采用减、隔震支座能大幅提高桥梁的整体抗震性能。