天津市市政工程设计研究院 天津 300051
摘要：历次地震的惨痛教训表明，桥梁作为生命线工程的重要组成部分，一旦在地震中发生严重破坏，会造成巨大的经济损失和社会损失。目前在公路、铁路、轨道交通等领域的中小跨径桥梁中普遍采用延性抗震体系，而延性体系成立的关键是能力保护构件的验算，这其中桥梁支座作为能力保护构件中的关键一环，在桥梁抗震体系中起着非常关键的作用。本文依托实际的轨道交通工程项目，分析了高震区延性抗震体系下，不同墩高的轨道交通桥梁对于支座水平承载力的实际需求。
关键词：桥梁；延性抗震体系；支座；水平承载能力
1 概述
从2008年汶川地震以来，桥梁抗震问题受到越来越多的重视，国内桥梁抗震的研究也越来越深入，一系列新的桥梁抗震设计新规范相继颁布，支座作为桥梁中重要的传力构件，它的承载能力直接关系到桥梁延性抗震体系是否成立[1]。
2 基于延性抗震设计的支座水平力需求研究
为了研究轨道交通简支梁桥在延性抗震设计思路下对球型支座的抗震水平力需求，针对目前在轨道交通中逐渐开始推广运用的30m跨径简支U型梁，按照8m~16m之间的不同墩高情况进行延性抗震设计，对基于延性设计的支座水平承载力需求进行总结和分析研究。
2.1 设计与计算思路
延性体系桥梁的抗震原理是：在罕遇地震作用下，使桥墩顶部或底部作为“保险丝单元”而率先达到弹性强度限值，并通过其塑性变形和耗能以延长结构周期且耗散地震能量[2]。为了保证墩顶或墩底的塑性铰区能够率先达到弹性强度限值，支座、基础等非延性部位应作为“能力保护单元”而具有比“保险丝单元”更强的承载力。
对于轨道交通常规桥梁，一般为独柱墩结构，应将墩底塑性铰区作为预设的延性变形耗能部位，而支座等构件应作为能力保护构件进行设计，其水平力设计值等于墩柱塑性铰区截面超强弯矩所对应的剪力，如式2.1-1所示。
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（2.1-1）
式中：
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为一个支座所承受的地震水平力；
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为截面受弯承载力超强系数[3]，一般取1.2；
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为桥墩塑性铰截面的极限弯矩；n为一个墩位承担地震水平力的支座个数，H为悬臂墩的墩高。
由此可以看出，支座的水平力设计值取决于墩底塑性铰区的极限弯矩，而极限弯矩取决于墩底的截面尺寸和配筋。
2.2 桥墩截面的精细化设计
为了做到精细化设计，将实际工程中墩高范围内每隔1m高度都进行建模计算，桥墩截面尺寸和配筋设计遵循以下原则：
（1）根据墩高对墩柱尺寸进行合理分级。不同墩高的桥梁所受地震作用不同，地震作用下的墩底弯矩也不同，因而其截面尺寸也应有所不同，全线采用同一种墩柱尺寸的设计是不科学合理的。
（2）为避免浪费和保证桥墩塑性铰区首先进入延性，应优化桥墩截面设计以避免很大的富余。桥墩设计首先需满足静力计算的强度、线刚度要求，和抗震计算的强度和变形要求，在此前提下对截面尽可能地进行优化，使墩底塑性铰能够在高于E1的地震水平下先于其他构件进入塑性变形状态，且不造成很大的材料浪费。
2.3 按能力保护原则计算支座水平力需求
确定了最优的墩柱截面后，通过弯矩-曲率分析可以得到不同墩高情况的截面极限弯矩，进而利用式2.1.1计算支座的总地震水平力。弯矩-曲率分析采用的材料本构模型根据《城市轨道交通结构抗震设计规范》附录G的相关规定确定。
弯矩-曲率关系计算采用截面的实际配筋和墩底在恒载下的实际轴力，分析得到的截面弯矩-曲率曲线参数示意如图2.3-1[4]。将得到的塑性铰区极限弯矩代入式2.1-1即可得到支座的水平力需求。
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图2.3-1 塑性铰的弯矩-曲率关系
3 工程实例分析
3.1 桥梁概况
滨海新区轨道交通Z4线一期工程，标准段区间桥梁，上部结构为30m混凝土简支U形梁，由两片U形梁组成，桥宽10.86m。桥墩为独柱墩，设计标段内的墩高8m~16m。基础采用直径1m的钻孔灌注桩群桩基础。简支梁一侧支座全部采用固定球型钢支座，另一侧全部采用纵向活动球型钢支座。
3.2 工程场地地震动参数
本节地震分析计算采用工程实例桥址的地震参数，反应谱参数见表3.2-1。对应的地震基本烈度为8度，对应的场地类型为Ⅳ类。
表3.2-1 工程场地地表反应谱参数值
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3.3 支座水平力需求计算
按照2.1中确定的设计与计算思路，首先进行精细化的桥墩截面与配筋设计，然后计算墩底塑性铰区的极限弯矩并由此算出支座水平力需求。预制U型梁墩柱尺寸及配筋情况详见表3.3-1，支座的水平力计算结果详见表3.3-2。
表3.1-1 预制U型梁墩柱尺寸及配筋情况
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表3.3-2 预制U型梁支座水平力计算
4 结论
（1）延性抗震体系下，桥梁的支座水平承载力和墩柱塑性铰区的屈服弯矩密切相关，在考虑现有的桥梁支座技术水平、工程经济性等指标，桥梁墩柱的配筋应进行充分的优化[1]。
（2）对于8度区，IV类场地土条件下的轨道交通简支U型梁桥，不同墩高情况下支座顺桥向水平力设计值达到支座竖向承载力的56%~75%；支座横桥向水平力设计值达到支座竖向承载力的33%~47%。高震区桥梁在延性抗震体系下，对于支座的水平承载力的要求非常高。
（3）延性体系成立的关键是能力保护构件的验算，这其中桥梁支座作为能力保护构件中的关键一环，在桥梁抗震体系中起着非常关键的作用，对于高震区采用延性抗震体系的桥梁，必须重视桥梁支座的水平承载力问题。
参考文献：
[1]袁有为.延性抗震体系下桥梁支座水平承载能力分析[J].天津建设科技，2018，28（5）：31-33.
[2]范立础，卓卫东.桥梁延性抗震设计[M].北京：人民交通出版社，2001：81.
[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.城市轨道交通桥梁设计规范：GB/T51234-2017[S].北京：中国建筑工业出版社，2017：49-50.
[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.城市轨道交通结构抗震设计规范：GB 50909-2014[S].北京：中国计划出版社，2014：88-89.