混凝土連續(xù)梁橋抗震設(shè)計探究

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摘要:為解決高烈度區(qū)多跨長聯(lián)混凝土連續(xù)梁橋抗震設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)問題，以中蘭客專靖遠(yuǎn)黃河特大橋為工程背景，研究該橋結(jié)構(gòu)設(shè)計、動力特性、抗震技術(shù)方案等重難點問題。結(jié)果表明:靖遠(yuǎn)黃河橋主橋采用主跨128m多跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋跨越黃河，可有效解決黃河主河道防洪、通航及河床演變規(guī)律復(fù)雜等問題;通過對比分析基于強度的硬抗設(shè)計方案在和減隔震技術(shù)，靖遠(yuǎn)黃河橋采用雙曲面摩擦擺減隔震支座降低地震力，并結(jié)合粘滯阻尼器控制位移的減隔震措施，在有效優(yōu)化墩身及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尺寸的同時，降低地震作用下的橋梁破壞程度，提高結(jié)構(gòu)安全性。

關(guān)鍵詞:減隔震技術(shù)多跨連續(xù)梁動力特性抗震方案比選

1引言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋因其整體剛度大、伸縮縫少、經(jīng)濟指標(biāo)低等優(yōu)勢，成為高速鐵路橋梁首選的結(jié)構(gòu)形式。高烈度地區(qū)多跨長聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋設(shè)計尚有多項關(guān)鍵技術(shù)有待深入研究。文獻(xiàn)［1］闡述了29控制高速鐵路連續(xù)梁橋設(shè)計的關(guān)鍵因素;文獻(xiàn)［2－3］論述了多跨連續(xù)梁抗震及減隔震設(shè)計技術(shù);文獻(xiàn)［4－5］分析了我國鐵路連續(xù)梁橋延性設(shè)計方法。我國《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》對中小跨徑梁式橋抗震設(shè)計要求進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，在多遇地震下進(jìn)行強度檢算，設(shè)防地震采用抗震構(gòu)造措施，罕遇地震作用下通過控制位移進(jìn)行延性設(shè)計。而對長聯(lián)多跨連續(xù)梁的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)及抗震設(shè)計方法等重難點問題闡述不全。高烈度區(qū)高速鐵路多跨長聯(lián)連續(xù)梁橋，如果僅通過提高強度進(jìn)而提高橋梁的抗震設(shè)防能力，不僅造成不必要的建設(shè)成本增加，且設(shè)計偏于不合理。本文以中衛(wèi)至蘭州客運專線靖遠(yuǎn)黃河特大橋主橋多跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋為研究對象，對該橋的橋式布置、抗震及減隔震技術(shù)等設(shè)計關(guān)鍵點進(jìn)行深入分析論述。

2工程概況

靖遠(yuǎn)黃河特大橋是中蘭客?？刂菩怨こ?，位于甘肅省靖遠(yuǎn)縣長尾灘，橋高41m，橋梁軸線的法線與黃河水流方向夾角為9°。橋位處河水較緩，水面寬約180m，通航等級為Ⅴ級。橋址區(qū)地貌屬黃河河谷地區(qū)，地形起伏較小，黃河從中流過，地層以細(xì)圓礫土、粗圓礫土、砂巖為主，巖體較完整。為滿足防洪和通航對跨越黃河的要求，最大化降低對河道行洪的影響，并綜合考慮黃河河床歷史演變規(guī)律復(fù)雜等因素，本橋兩個水中墩仍有撞船的風(fēng)險，靖遠(yuǎn)黃河特大橋采用(70+104+128+104+70)m多跨連續(xù)梁跨越黃河主河道，采用(60+60)mT構(gòu)跨越黃河快速路，主橋立面布置見圖1。中蘭客專線路等級為雙線高速鐵路，線間距4．6m，采用有砟軌道，設(shè)計活載為ZK活載。靖遠(yuǎn)黃河特大橋跨越黃河河道的通航等級為Ⅴ級，航道立交要求凈寬80m、凈高8．0m。根據(jù)靖遠(yuǎn)黃河橋場地地震安全性評價結(jié)果，橋位處50年超越概率10%情況下(設(shè)計地震)最大地震動峰值加速度為0．34g，地震動反應(yīng)譜周期為0．55s。

3結(jié)構(gòu)設(shè)計

靖遠(yuǎn)黃河特大橋(70+104+128+104+70)m多跨連續(xù)梁主梁采用單箱單室、變高度、變截面預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。箱梁頂寬12．2m，底寬6．4m，采用直腹板形式。邊跨和跨中直線段梁高5．0m，中支點處梁高9．6m，次中支點梁高7．6m。主梁設(shè)計為縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系。主梁采用掛籃懸臂澆筑施工，在中支點及邊支點部分梁段采用支架現(xiàn)澆施工。主梁中支點斷面見圖2。本橋每個橋墩墩頂橫向設(shè)置2個支座，支座噸位分別為11000kN、40000kN和60000kN。邊墩支座橫向間距為4．8m，次中墩和中墩支座橫向間距均為5．5m。各墩均設(shè)計為圓端形空心墩，墩身內(nèi)外壁縱橫向設(shè)置放坡。主墩高32．0m，墩頂尺寸為(5．5×12．6)m(順橋向×橫橋向)，承臺尺寸(順橋向×橫橋向×厚度)為(15．0×18．2×4．5)m。基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，主墩基礎(chǔ)設(shè)計為20根φ1．8m鉆孔灌注樁，次中墩設(shè)計為18根φ1．8m鉆孔灌注樁，交接墩設(shè)計12根φ1．5m鉆孔灌注樁。主墩基礎(chǔ)采用雙壁鋼圍堰施工。

4動力特性分析

采用大型計算分析軟件MIDASCivil建立空間有限元模型，對全橋進(jìn)行動力特性及抗震性能分析。全橋模型為1－32m簡支梁+(60+60)mT構(gòu)+(70+104+128+104+70)m連續(xù)梁+1－32m簡支梁，共計890個節(jié)點、530個單元。計算模型采用梁單元模擬主梁、墩柱及承臺，考慮樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式及樁周土層力學(xué)性質(zhì)對結(jié)構(gòu)剛度的影響，采用6個自由度的彈簧剛度矩陣模擬樁基與土的相互作用，彈簧剛度數(shù)值根據(jù)“m”法確定，空間計算模型見圖3。成橋狀態(tài)動力特性見表1和圖4，橋梁基頻為0．442Hz，最小自身頻率對應(yīng)模態(tài)為一階縱飄，表明在結(jié)構(gòu)各向剛度中，主梁縱向剛度最弱。

5抗震設(shè)計分析及方案比選

高烈度區(qū)高速鐵路橋梁抗震設(shè)計內(nèi)容主要包括:抗震設(shè)防目標(biāo)確定、抗震計算參數(shù)選取以及合理抗震設(shè)計方案的制定［6］。

5．1抗震設(shè)防目標(biāo)確定

多跨長聯(lián)連續(xù)梁橋由于聯(lián)長、梁部質(zhì)量大而導(dǎo)致地震效應(yīng)明顯。鑒于靖遠(yuǎn)黃河橋在中蘭客專的重要性和搶修難度，大橋在罕遇地震作用下需要滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)，并保證震后基本通行功能。在結(jié)構(gòu)具體計算時取用原則為［7］:(1)按多遇地震50年超越概率63．2%的地震動參數(shù)檢算結(jié)構(gòu)物的強度，并考慮重要性系數(shù)

1．5(水平地震動峰值加速度Amax=0．114g)。(2)按照設(shè)計地震50年超越概率10%的地震動參數(shù)加強結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施(水平地震動峰值加速度Amax=0．340g)。(3)按罕遇地震50年超越概率2%的地震動參數(shù)驗算上、下部結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造的位移，并按照極限強度控制橋墩及基礎(chǔ)強度設(shè)計(水平地震動峰值加速度Amax=0．650g)［8］。

5．2抗震設(shè)計參數(shù)選取

根據(jù)《新建中衛(wèi)至蘭州客運專線工程場地地震安全性評價報告》，本橋橋位處場地類別為Ⅱ類，設(shè)計地震動加速度反應(yīng)譜計算公式取為:式中:Amax為設(shè)計地震動峰值加速度;β(T)為設(shè)計地震動加速度放大系數(shù)反應(yīng)譜;T為反應(yīng)譜周期;βm為放大系數(shù)反應(yīng)譜最大值;T2為周期拐點;Tg為反應(yīng)譜特征周期，式中各參數(shù)按表2取值。靖遠(yuǎn)黃河特大橋時程分析采用地震安評報告提供的罕遇地震加速度時程曲線，計算采用三組時程曲線，并取其結(jié)果的最大值，各組時程曲線見圖5。

5．3硬抗設(shè)計方案

鐵路橋梁合理抗震設(shè)計方案一般有兩種:一種是基于強度的硬抗抗震體系，另一種是基于延性的減隔震體系。不管采用哪種抗震設(shè)計方案，都需要具備兩個基本特征:一是傳力路徑不間斷，二是保持橋梁結(jié)構(gòu)整體性［9］。因此，結(jié)構(gòu)既要具備合理有效的抗震單元(如墩柱塑性鉸、減隔震裝置等)，又要有足夠的強度并采取有效的連接措施(如設(shè)置縱向限位器、橫向擋塊等)。對靖遠(yuǎn)黃河特大橋主橋進(jìn)行這兩種抗震設(shè)計思路的對比工作，以尋找本橋最合適的抗震設(shè)計方案?；趶姸鹊目拐鹪O(shè)計原則是全聯(lián)地震效應(yīng)均由固定墩承受，按照剛性抗震設(shè)計理念，則需要增大結(jié)構(gòu)尺寸、加強墩柱配筋等途徑來滿足抗震設(shè)防要求，不僅造成建設(shè)成本提高，且設(shè)計趨于不合理。本橋采用減隔震設(shè)計方案，利用減隔震支座及粘滯阻尼器共同減小地震力，并最大化控制地震力作用下梁體位移［10］。

5．4減隔震設(shè)計方案減隔震技術(shù)應(yīng)用在橋梁結(jié)構(gòu)中，可大大削弱地震力的作用，進(jìn)而減小下部結(jié)構(gòu)尺寸，降低造價。同時可有效減輕結(jié)構(gòu)遭遇強震時的破壞程度，顯著提高結(jié)構(gòu)安全性。橋梁減隔震措施主要有兩種:一是采用減隔震支座，增加結(jié)構(gòu)的延性，有利于耗散地震能量，以保證震后橋梁不會整體倒塌，修復(fù)相對容易;二是采用粘滯阻尼器，以控制梁體過大變形，從而減小結(jié)構(gòu)位移，降低結(jié)構(gòu)動力加速度［11］。結(jié)合鐵路橋梁的設(shè)計特點，靖遠(yuǎn)黃河橋減隔震設(shè)計綜合設(shè)置了雙曲面摩擦擺減隔震支座和液體粘滯阻尼器。雙曲面摩擦擺減隔震支座在正常使用狀態(tài)(非地震時)，既能保證可靠傳遞結(jié)構(gòu)豎向和水平荷載，又能保證支座轉(zhuǎn)動和位移不受約束。在地震工況下，支座的限位裝置失效，限位方向發(fā)生滑動，結(jié)構(gòu)基本周期增大，從而減小地震力效應(yīng)。這類支座內(nèi)部設(shè)置球鉸，可實現(xiàn)多方向轉(zhuǎn)動，以提供結(jié)構(gòu)自復(fù)位能力，促使上部結(jié)構(gòu)回到初始狀態(tài)。液體粘滯阻尼器是一種速度耗能裝置，產(chǎn)生的阻尼力與速度和溫度有關(guān)。阻尼器不改變結(jié)構(gòu)自振周期，僅通過提供附加剛度和阻尼的方式，有效降低震后結(jié)構(gòu)位移量。阻尼器的安裝具有方向性，靖遠(yuǎn)黃河特大橋每墩設(shè)置2個150t阻尼器，與順橋向成45°設(shè)置。阻尼器的制作加工精度要求高，缺少自復(fù)位功能，一般需要配合支座使用［12］。對靖遠(yuǎn)黃河橋進(jìn)行罕遇地震作用下時程分析，雙曲面摩擦擺減隔震支座采用Midas有限元程序提供的摩擦擺單元模擬，計算時需要考慮地震力作用下的滑動摩擦效應(yīng)和非線性效應(yīng);粘滯阻尼器采用阻尼單元進(jìn)行模擬，兩者計算參數(shù)見表3。雙曲面摩擦擺支座設(shè)置剪切銷，剪切銷剪斷力按1．05倍多遇地震水平剪力控制。多遇地震作用下，抗剪銷未被剪壞，減隔震裝置未發(fā)揮作用;罕遇地震作用下，抗剪銷被剪斷破壞，支座沿球面發(fā)生擺動，減隔震系統(tǒng)發(fā)揮作用，地震力有效減小。圖6對比了罕遇地震作用下三種設(shè)計方案順橋向墩底內(nèi)力響應(yīng)。罕遇地震作用下，同時采用減隔震支座和阻尼器，交接墩剪力減隔震率為26.34%，固定墩剪力減隔震率達(dá)82．04%;交接墩彎矩減隔震率為36．06%，固定墩彎矩減隔震率達(dá)86．58%。采用減隔震方案設(shè)計明顯減小了固定墩地震內(nèi)力響應(yīng)，為橋墩和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化提供了有利條件。罕遇地震作用下，靖遠(yuǎn)黃河橋采用普通支座時，梁端縱向位移量為538mm;僅設(shè)置減隔震支座時，梁端位移量為219mm;同時設(shè)置減隔震支座與粘滯阻尼器時，罕遇地震作用下支座位移量僅為152mm。分析表明，同時設(shè)置減隔震支座與粘滯阻尼器，罕遇地震作用下梁端位移量可以得到有效控制。

6結(jié)束語

以中衛(wèi)至蘭州客運專線靖遠(yuǎn)黃河特大橋主橋(70+104+128+104+70)m多跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋為工程背景，對大橋抗震及減隔震設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究比選，得出主要結(jié)論如下:(1)高烈度區(qū)多跨長聯(lián)連續(xù)梁橋，采用基于強度的硬抗設(shè)計方案，固定墩承受全聯(lián)梁部地震力，導(dǎo)致受力過大，結(jié)構(gòu)設(shè)計偏于不合理。(2)通過采用合理的減隔震技術(shù)，可以有效減輕橋梁結(jié)構(gòu)遭遇強震作用時的破壞程度，顯著提高結(jié)構(gòu)安全性。

作者:種博肖 單位:中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司