張蓓雯

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,上海 200070)

1 概述

1.1 工程背景

徐洪河特大橋主橋位于宿遷泗洪縣歸仁鎮(zhèn)南,是宿淮鐵路跨越徐洪河橋梁。主橋采用(66+108+108+66) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,見圖1。主橋段線路平面為直線,縱斷面位于R=15 000 m豎曲線上,單線橋,線路與河道夾角64°。橋位處河道順直寬闊,兩岸均筑有堤防,主堤內(nèi)有青灘,主堤距約240 m,水面寬度115 m,水深6 m。橋位處現(xiàn)為Ⅴ級(jí)通航河道,規(guī)劃預(yù)留Ⅲ級(jí)航道,航道凈空：70 m(凈寬)×7 m(凈高)。

圖1 徐洪河特大橋主橋總布置(單位：cm)

1.2 橋位場(chǎng)地情況

橋址區(qū)域地勢(shì)平緩開闊,沒有引起滑移、坍塌的不良地質(zhì)現(xiàn)象。橋址區(qū)場(chǎng)地地基土結(jié)構(gòu)較有規(guī)律,下部地層分布穩(wěn)定,未見大型活動(dòng)斷裂通過。

橋址區(qū)域地層按其成因和時(shí)代分類主要有：第四系全新統(tǒng)(Q4al)黏性土,粉土、粉砂；第四系上更新統(tǒng)(Q3al)黏性土；第四系中更新統(tǒng)(Q2al)礫砂、黏土。區(qū)內(nèi)第四系地層分布普遍廣泛且厚度大,構(gòu)造形跡不發(fā)育,地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單。

1.3 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2001),本場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為八度,地震動(dòng)峰值加速度Ag為0.20g。本場(chǎng)地土屬中軟～中硬土,場(chǎng)地類別劃分為Ⅲ類場(chǎng)地。設(shè)計(jì)地震分組屬于第一組,地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。

依據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50111—2006)3.0.1條,本橋?yàn)橹骺绱笥?0 m的混凝土連續(xù)梁,抗震設(shè)防類別判定為B類,對(duì)應(yīng)的抗震設(shè)防措施等級(jí)為8度。

1.4 結(jié)構(gòu)抗震性能等級(jí)

根據(jù)徐洪河特大橋主橋的具體情況,確定主橋抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)構(gòu)性能目標(biāo),見表1。

表1 主橋抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)

2 抗震設(shè)計(jì)思路

本橋抗震設(shè)計(jì)遵循多水準(zhǔn)設(shè)防、多性能目標(biāo)的基于結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計(jì)思路。

在橋梁抗震設(shè)計(jì)過程中,結(jié)合本工程具體特點(diǎn),拋開了傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論,選擇了以抗震概念設(shè)計(jì)為先導(dǎo),結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析,指導(dǎo)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及抗震措施的三階段設(shè)計(jì)方法,確定了適合于本橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)體系及抗震體系,成功實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.1 抗震概念設(shè)計(jì)

地震作用是一種不規(guī)則的循環(huán)往復(fù)荷載,且具有很強(qiáng)的隨機(jī)性；橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)因場(chǎng)地條件及結(jié)構(gòu)特性等因素影響,其破壞機(jī)理十分復(fù)雜。由此,若要進(jìn)行精準(zhǔn)的橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)則尤為困難。

20世紀(jì)70年代以來,研究人員在總結(jié)歷次震害的經(jīng)驗(yàn)中提出了“概念設(shè)計(jì)”的思想,并將其獨(dú)立于“數(shù)值設(shè)計(jì)”之上?？拐鸶拍钤O(shè)計(jì)是指根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗(yàn)等獲得的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想,正確地解決結(jié)構(gòu)總體方案、材料使用和細(xì)部構(gòu)造,以達(dá)到合理抗震設(shè)計(jì)的目的。合理的抗震設(shè)計(jì),要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)防目標(biāo)的同時(shí),其在構(gòu)件強(qiáng)度、剛度和延性等技術(shù)指標(biāo)上達(dá)到最佳匹配,并具有優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)性。

橋梁抗震概念設(shè)計(jì)主要包含2方面內(nèi)容,即合理的橋梁結(jié)構(gòu)選型和抗震體系選擇。

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)合理的抗震選型

2.2.1 橋位工程條件判定

本工程勘探結(jié)果顯示：橋址區(qū)地勢(shì)平緩開闊,略有起伏,沒有引起滑移、坍塌的不良地質(zhì)現(xiàn)象,場(chǎng)地總體穩(wěn)定。

橋址區(qū)場(chǎng)地地基土結(jié)構(gòu)較有規(guī)律,下部地層分布穩(wěn)定,未見大型活動(dòng)斷裂通過。

區(qū)內(nèi)第四系地層分布普遍廣泛且厚度大,構(gòu)造形跡不發(fā)育,地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單。

場(chǎng)地內(nèi)局部分布有液化土層②2粉土(Q4al),為輕微液化。主橋區(qū)域該土層缺失。

綜上所述,場(chǎng)地工程條件總體情況適宜橋梁建設(shè)。

2.2.2 橋式方案選擇

橋位處河道順直寬闊,兩岸均筑有堤防。東、西兩側(cè)主堤斷面差異較大,內(nèi)側(cè)均有青灘,主堤距約240 m,中間主槽寬度約100 m,線路與河道夾角64°。由于線位走向受到沿線多處控制點(diǎn)的制約,跨河段斜交角經(jīng)多次調(diào)整后已沒有進(jìn)一步改善的可能。

技術(shù)人員在橋式方案的選擇過程中,重點(diǎn)關(guān)注以下幾方面因素。

(1)主孔跨度需滿足航道部門提出的Ⅲ級(jí)航道通行要求,即橋下航道凈寬需達(dá)到70 m。由于線路與河道的斜交角度較大,經(jīng)仔細(xì)核算后確定橋梁通航主孔跨度需大于100 m。

(2)對(duì)于大橋建設(shè)水利部門也提出了十分嚴(yán)格的要求：跨河段墩位布置需避讓主堤迎坡面及堤頂區(qū)域,以確保大堤在大橋建成后的防汛安全。對(duì)于此要求的響應(yīng)基本決定了大橋的跨度布置,因?yàn)楦鶕?jù)徐洪河大堤及河道的實(shí)測(cè)斷面情況,西側(cè)跨堤橋孔的跨度需大于100 m,東側(cè)布跨情況雖略為有利,但也需布置60 m以上的邊孔。

(3)為最大限度減小橋墩對(duì)河道行洪及通航的不利影響,水利部門進(jìn)一步對(duì)水中橋墩的布置做了規(guī)定：水中墩的截面必須采用圓形；橋墩基礎(chǔ)布置必須低于規(guī)劃航道河底高程。

基于上述情況分析,本橋適用的橋式基本局限于大跨梁式橋,即大跨連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)。由于橋位處地勢(shì)平坦,河槽也較為寬淺,故墩高普遍較矮,其中最大墩高的水中墩為14～15 m,陸上墩分別為6.5～11 m,由此,連續(xù)剛構(gòu)方案明顯不合理在方案研究之初便被舍棄,明確采用大跨連續(xù)梁方案?？紤]到橋梁上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量及結(jié)構(gòu)特性對(duì)地震力效應(yīng)的影響,設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步考慮在方案設(shè)計(jì)過程中合理控制聯(lián)長(zhǎng),并通過優(yōu)化橋墩及樁基布置形式,進(jìn)一步優(yōu)化各橋墩剛度,使主橋各墩合理分擔(dān)水平地震力。

2.3 橋梁總體布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于上述原則并結(jié)合結(jié)構(gòu)敏感性分析,主橋結(jié)構(gòu)最終確定為(66+108+108+66) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,兩側(cè)相鄰聯(lián)橋跨分別為40 m混凝土簡(jiǎn)支箱梁和32 m簡(jiǎn)支T梁。

主橋各墩(61、62、63、64、65號(hào))及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)見表2,各墩剛度及剪跨比參數(shù)見表3。

表2 主橋各橋墩及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)匯總

表3 橋墩剛度及剪跨比參數(shù)

其中61、62、65號(hào)墩為陸上墩,墩身采用圓端形實(shí)體斷面； 63、64號(hào)墩為水中墩,采用圓形實(shí)體斷面。在63號(hào)墩設(shè)固定支座,其余墩均設(shè)活動(dòng)支座。

全橋基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁,61、65號(hào)邊墩采用φ100 cm樁基礎(chǔ),樁長(zhǎng)37 m,持力層為④1中粗砂(Q3al)；62、63、64號(hào)主墩采用φ150 cm樁基礎(chǔ),樁長(zhǎng)50～53 m,持力層為④1中粗砂(Q3al)。

2.4 橋梁結(jié)構(gòu)抗震體系選擇

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其工程條件建立全橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析模型,采用反應(yīng)譜法進(jìn)行三水準(zhǔn)下的地震響應(yīng)分析,并對(duì)各水準(zhǔn)下墩身、樁基及支座進(jìn)行能力驗(yàn)算,以準(zhǔn)確評(píng)估結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)及抗震性能。

分析結(jié)果顯示：最初的橋梁設(shè)計(jì)在各水準(zhǔn)地震力作用下,結(jié)構(gòu)性能均顯示不足,特別是在設(shè)計(jì)地震及罕遇地震作用下,結(jié)構(gòu)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足抗震要求。各水準(zhǔn)地震力作用下結(jié)構(gòu)性能存在的主要問題如下。

(1)多遇地震

在多遇地震作用下各橋墩和樁基均保持在彈性狀態(tài)；支座位移在可接受的范圍內(nèi),僅橫向地震力輸入時(shí), 61、65號(hào)墩支座水平抗剪能力不足,支座破壞。

(2)設(shè)計(jì)地震

在設(shè)計(jì)地震作用下,縱橋向輸入時(shí)63號(hào)墩身及樁基將發(fā)生屈服損傷；橫橋向輸入橋上無車時(shí)61、63號(hào)墩身及61、62、63、65號(hào)墩樁基發(fā)生屈服損傷；橫橋向輸入橋上有車時(shí),63號(hào)墩身及61、62、63、65號(hào)墩樁基發(fā)生屈服損傷；63號(hào)墩固定支座水平抗剪能力不足,支座破壞。

(3)罕遇地震

在罕遇地震作用下,縱橋向輸入時(shí)63號(hào)墩身及63、64號(hào)墩樁基將發(fā)生屈服損傷；橫橋向輸入橋上有車及無車條件下,各橋墩及樁基均損傷嚴(yán)重,并承受較大的拉力；支座水平抗剪能力不足,支座破壞。

鑒于上述分析結(jié)果并結(jié)合本橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn),設(shè)計(jì)人員曾運(yùn)用傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法即強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)比對(duì),具體做法為：維持各墩墩身截面尺寸不變,通過增加墩身鋼材用量及加樁的方法來提升橋墩構(gòu)件的強(qiáng)度,進(jìn)而滿足預(yù)期的抗震性能要求。此比較方案與原方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)比見表4。

表4 方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)比

由表4對(duì)比可以看出,如選擇傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)思路,則需大幅度增加材料用量,也會(huì)理所當(dāng)然地導(dǎo)致工程投資的大幅上升。顯然,這不是理想的設(shè)計(jì),同時(shí)也證明了傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)思路已不適用此類橋梁結(jié)構(gòu),必須尋找新的解決方案。

進(jìn)一步對(duì)比分析顯示：通過對(duì)結(jié)構(gòu)施加一定的減隔震措施后,墩底及樁基內(nèi)力均有明顯的改善,支座位移亦得到控制，罕遇地震作用下部分對(duì)比結(jié)果見圖2、圖3、圖4。這表明減隔震方案能在罕遇地震作用下能起到較好的減震效果,能有效地降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng),從而滿足預(yù)期的抗震性能要求。

圖2 縱橋向輸入時(shí)墩底彎矩對(duì)比

圖3 橫向輸入橋上無車時(shí)墩底彎矩對(duì)比

圖4 橫向輸入橋上有車時(shí)墩底彎矩對(duì)比

3 減隔震設(shè)計(jì)

3.1 減隔震體系設(shè)計(jì)

3.1.1 橋梁減隔震系統(tǒng)的特點(diǎn)

橋梁的減隔震系統(tǒng)主要具備以下3個(gè)特點(diǎn)：

(1)具備一定的柔度,用來延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期,降低地震力；

(2)通過阻尼、耗能裝置等對(duì)地震力進(jìn)行耗散,并將支承面處的相對(duì)變形控制在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)；

(3)具備一定的剛度和屈服力,在正常使用荷載下結(jié)構(gòu)不發(fā)生屈服和有害振動(dòng)。

3.1.2 橋梁減隔震裝置的選擇

應(yīng)用于橋梁工程中的減隔震裝置不僅要能減震耗能,還必須滿足正常運(yùn)營荷載的承載要求。因此,在選擇橋梁工程減隔震裝置時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注以下幾方面內(nèi)容：

(1)進(jìn)行減隔震設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)選用作用機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單的減隔震裝置,并在其力學(xué)性能明確的范圍內(nèi)使用；

(2)在不同水準(zhǔn)地震力作用下,減隔震支座都應(yīng)保持良好的豎向荷載支承能力；

(3)減隔震裝置應(yīng)具有較高的初始水平剛度,使橋梁在風(fēng)荷載、制動(dòng)力等作用下不發(fā)生過大的變形和有害振動(dòng)；

(4)當(dāng)溫度、徐變等引起上部結(jié)構(gòu)緩慢的伸縮變形時(shí),減隔震支座產(chǎn)生的抗力應(yīng)比較低；

(5)減隔震裝置應(yīng)具有較好的自復(fù)位能力,使震后橋梁上部結(jié)構(gòu)能夠基本恢復(fù)到原來位置。

目前,國內(nèi)市場(chǎng)上由各專業(yè)公司提供的橋梁減隔震產(chǎn)品十分豐富,常用的產(chǎn)品如：橡膠隔震支座(EBP)、高阻尼橡膠支座(HDRP)、擺式摩擦隔震支座 (FPB)、速度鎖定器(LUD)、粘滯阻尼器、彈塑性阻尼器(ED)等,這些產(chǎn)品在橋梁抗震設(shè)計(jì)中均有成功應(yīng)用的案例。

3.2 減隔震體系方案設(shè)計(jì)

在減隔震體系方案的設(shè)計(jì)過程中,通過研究各種減隔震裝置對(duì)本橋的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性,并進(jìn)一步對(duì)比分析,最終確定適合于本橋的減隔震體系方案。

減隔震體系方案對(duì)比見表5。

表5 減隔震體系方案對(duì)比

通過對(duì)上述4個(gè)方案的對(duì)比分析,考慮減隔震裝置對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性及其減隔震效果,最終確定采用FPS支座并聯(lián)粘滯阻尼器的減隔震方案。

在初步確定減隔震體系的前提下,設(shè)計(jì)人員又進(jìn)一步通過敏感性分析確定減隔震裝置的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)。

全橋各墩減隔震裝置平面布置見圖5，全橋各墩減隔震裝置技術(shù)參數(shù)見表6。

圖5 墩頂減隔震裝置平面布置(單位：cm)

表6 減隔震裝置主要技術(shù)參數(shù)

4 抗震措施及抗震構(gòu)造設(shè)計(jì)

(1)通過調(diào)整各墩樁基布置形式及墩身截面尺寸,優(yōu)化橋墩剛度匹配,使各墩合理分?jǐn)偹降卣鹆?充分發(fā)揮墩身及基礎(chǔ)材料性能。

(2)選擇FPS支座并聯(lián)縱向阻尼器構(gòu)成適應(yīng)于本橋結(jié)構(gòu)特性的減隔震系統(tǒng),此系統(tǒng)在遭受水平地震力時(shí)受力明確,縱橫向發(fā)生位移自由協(xié)調(diào),且由于系統(tǒng)采用了FPS支座,故結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷地震后具有一定的自復(fù)位能力,有利于災(zāi)后修復(fù)。

(3)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特性及所采用減隔震系統(tǒng)的特點(diǎn),合理確定減隔震裝置的目標(biāo)位移。此項(xiàng)內(nèi)容反映在橋墩頂帽結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)方面,墩頂平面空間在滿足減隔震系統(tǒng)布置的同時(shí),亦需滿足減隔震系統(tǒng)發(fā)生最大目標(biāo)位移時(shí)的構(gòu)造要求。

(4)為保證上部結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生時(shí)能自由位移,適當(dāng)縮短邊孔結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度,預(yù)留足夠的梁縫寬度滿足減隔震目標(biāo)位移的要求。同時(shí),對(duì)此處連續(xù)梁邊墩高低墩蓋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行特別處理,使高低墩蓋梁結(jié)構(gòu)不侵入梁縫寬度范圍,進(jìn)一步確保梁端位移空間。

(5)梁底設(shè)置橫橋向防落梁擋塊,擋塊與支承墊石間設(shè)置緩沖橡膠墊塊,且其間距離滿足減隔震系統(tǒng)最大目標(biāo)位移要求。對(duì)于縱橋向防落梁設(shè)計(jì),考慮到主橋邊墩設(shè)置高低蓋梁的因素,其對(duì)主橋上部結(jié)構(gòu)可起到有效限制縱橋向位移的作用,故不再設(shè)置縱向支擋。但技術(shù)人員還是對(duì)結(jié)構(gòu)在縱橋向的變位采取了進(jìn)一步的防護(hù)措施,加長(zhǎng)了主橋邊支座支承墊石縱橋向長(zhǎng)度,以防止梁端支座意外滑落。

(6)合理確定FPS支座水平剪斷力取值區(qū)間,其下限值要求支座具有足夠的剛度和屈服強(qiáng)度,以避免其在正常使用狀態(tài)下出現(xiàn)因風(fēng)荷載、制動(dòng)力等引起的有害振動(dòng),即支座必須具備足夠的安全儲(chǔ)備以確保線路的正常運(yùn)營；其上限值則要求支座在結(jié)構(gòu)遭受超越多遇地震的地震力作用時(shí)能即刻剪斷,以使減隔震裝置及時(shí)參與工作,充分發(fā)揮其減隔震作用。

(7)根據(jù)鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范,加強(qiáng)墩身及鉆孔樁樁頂箍筋配置,并對(duì)橋墩與承臺(tái)、承臺(tái)與樁基的連接部位采取加強(qiáng)措施。

5 結(jié)語

(1)徐洪河特大橋抗震設(shè)計(jì)遵循了基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想,實(shí)現(xiàn)了多水準(zhǔn)設(shè)防、多性能目標(biāo)的基于結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計(jì)。

(2)采用了從抗震概念設(shè)計(jì)、地震反應(yīng)分析、抗震措施3方面著手的方法,確定了適合于本橋工程特點(diǎn)的橋梁結(jié)構(gòu)體系及抗震體系。其中,抗震概念設(shè)計(jì)及抗震措施相對(duì)于地震反應(yīng)分析在工程實(shí)踐中更具實(shí)際意義。

(3)重視橋墩及其基礎(chǔ)的延性設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在滿足強(qiáng)度驗(yàn)算的同時(shí)注重構(gòu)件的位移控制。

(4)根據(jù)工程特點(diǎn),拋開了傳統(tǒng)的單一考慮“強(qiáng)度設(shè)計(jì)”的抗震設(shè)計(jì)方法,采用FPS支座并聯(lián)粘滯阻尼器的減隔震方案設(shè)計(jì),工程建設(shè)顯示出了優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)效益及技術(shù)先進(jìn)性。對(duì)于高烈度區(qū)單線大跨鐵路橋梁,橋墩高度較低且剛度差別較大的情況,減隔震設(shè)計(jì)的優(yōu)越性尤其突出。

(5)橋梁減隔震裝置的選擇注重結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、受力明確、性能穩(wěn)定并方便日后養(yǎng)護(hù)維修。

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