彭崇乾，羅美輝

（廣東省建筑設(shè)計研究院，廣東　廣州　510010）

大跨度拱橋抗震設(shè)計探討

彭崇乾，羅美輝

（廣東省建筑設(shè)計研究院，廣東廣州510010）

目前，國內(nèi)外現(xiàn)有的絕大多數(shù)橋梁工程抗震設(shè)計規(guī)范只適應(yīng)于中等跨度的普通橋梁，超過適用范圍的大跨度橋梁的抗震設(shè)計，則無規(guī)范可循。結(jié)合生產(chǎn)實例對大跨度拱橋的抗震研究分析提出了設(shè)計主要進行強度驗算，重視高階振型的影響和多點不同步激振（包括行波效應(yīng)）和豎向地震動的影響，必要時采取適當(dāng)?shù)臏p隔震措施以減小地震反應(yīng)，同時注重抗震措施的采用，確保大橋在設(shè)計地震作用下滿足設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)要求。同時對抗震分析計算中遇到的問題加以分析進而提出相應(yīng)的對策措施。

大跨度拱橋；抗震分析；減隔震措施

0　引言

隨著現(xiàn)代化城市人口的大量聚集和經(jīng)濟的高速發(fā)展，對交通線的依賴性越來越強，而一旦地震使交通線遭到破壞，可能導(dǎo)致的生命財產(chǎn)以及間接經(jīng)濟損失也將會越來越巨大。幾次大地震一再顯示了橋梁工程破壞的嚴(yán)重后果，也一再顯示了橋梁工程抗震研究的重要性。我國是一個多地震的國家，地震災(zāi)害在我國頻頻發(fā)生。且據(jù)專家們預(yù)測，我國正面臨一個新的地震活躍期。盡管到目前為止，大跨度橋梁因地震而毀壞的情況并不多見，但是鑒于它們在經(jīng)濟、交通等方面占據(jù)的特殊重要地位，以及20世紀(jì)國內(nèi)外出現(xiàn)的幾次慘重的地震災(zāi)害的教訓(xùn)，對這些重大工程進行抗震設(shè)防研究還是十分必要的。

1　大跨度拱橋的抗震研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外現(xiàn)有的絕大多數(shù)橋梁工程抗震設(shè)計規(guī)范只適應(yīng)于中等跨度的普通橋梁，超過適用范圍的大跨度橋梁的抗震設(shè)計，則無規(guī)范可循。我國公路工程抗震設(shè)計細則只適用于主跨不超過150 m的梁橋和拱橋；我國鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范雖沒有說明跨度范圍，但說明“對特殊抗震要求的建筑物和新型結(jié)構(gòu)應(yīng)進行專門研究設(shè)計”。

由于拱橋不僅外形美觀，而且跨越能力大。在200～600 m跨徑范圍內(nèi)，拱橋仍是斜拉橋和懸索橋的有力競爭對手。因此，現(xiàn)實設(shè)計中大跨度拱橋在實際工程中得到較廣泛的應(yīng)用。

與中等跨徑的普通橋梁相比，大跨度橋梁的地震反應(yīng)比較復(fù)雜?；诟唠A震型的影響比較明顯。需要考慮多點激振和行波效應(yīng)、各種復(fù)雜的非線性因素、樁—土結(jié)構(gòu)相互影響等等。而另一方面又沒有可遵循的現(xiàn)行規(guī)范。同時由于大型橋梁往往是一個區(qū)域的焦點，為追求獨特的美觀效果和與當(dāng)?shù)丨h(huán)境相適應(yīng)，橋梁建設(shè)業(yè)主往往采用在全國范圍內(nèi)進行方案競賽的方式選擇合適的橋型。一旦橋型方案確定后，由于建設(shè)周期相對較短，橋梁專業(yè)設(shè)計人員往往只能被動地進行橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下的強度變形驗算，因而不能將先進的抗震設(shè)計思想充分地運用到橋梁的抗震設(shè)計中，從而影響抗震設(shè)計的效果。橋梁專業(yè)設(shè)計人員所能做的是根據(jù)能力設(shè)計思想對橋梁進行抗震能力分析、驗算，必要時進行減、隔震設(shè)計以提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。

2　大跨度拱橋的抗震研究方法

橋梁設(shè)計要重視橋梁結(jié)構(gòu)動力概念設(shè)計，選擇較為理想的抗震結(jié)構(gòu)體系；要重視延性抗震，用能力設(shè)計思想進行抗震設(shè)計；并適當(dāng)采用減、隔震措施提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。

對重要、復(fù)雜、大跨度橋梁的抗震設(shè)計計算目前一般主要采用動態(tài)時程分析法，并以反應(yīng)譜法做校核。動態(tài)時程分析法可精確的考慮地基和結(jié)構(gòu)的相互作用、地震時程相位差及不同地震時程多分量多點輸入、結(jié)構(gòu)的各種非線性復(fù)雜因素（包括幾何、材料、邊界連接條件非線性）以及分塊阻尼等問題。影響大跨度橋梁地震反應(yīng)的因素主要有多點激勵及行波效應(yīng)、各種非線性因素、阻尼問題和樁—土相互作用等。

大跨度拱橋的主要承重構(gòu)件—主拱的軸壓比一般比較高，延性設(shè)計比較困難。故大跨度拱橋的抗震設(shè)計主要進行強度驗算，重視高階振型的影響和多點不同步激振（包括行波效應(yīng)）和豎向地震動的影響，必要時采取適當(dāng)?shù)臏p隔震措施以減小地震反應(yīng)，同時注重抗震措施的采用。

3　大跨度拱橋的抗震研究實例

下面結(jié)合廣州南沙明珠灣大橋的結(jié)構(gòu)抗震分析來對大跨度拱橋的地震輸入的選取、動力計算模型的建立、動力特性分析、阻尼器型號和參數(shù)的選取及對橋梁抗震的影響、地震反應(yīng)分析和抗震強度驗算進行初步的探討。

3.1設(shè)計基礎(chǔ)資料

明珠灣大橋主橋推薦方案采用96 m+164 m+ 436 m+164 m+96 m中承式五跨連續(xù)鋼桁拱橋，雙層橋面布置，二片主桁，上層為雙向八車道公路，兩側(cè)為人行道，橋面總寬41 m。下層中間為預(yù)留的BRT車道，管線走廊位于兩側(cè)。

主橋支座布置為：縱向一個主墩設(shè)置固定支座，其余墩設(shè)置活動支座，同時在另一個主墩上加設(shè)縱向阻尼裝置；橫向每墩一個支座橫向限位，一個支座橫向活動。橋式布置見圖1。

圖1　推薦方案橋型立面圖（單位：mm）

主橋主墩為28#、29#墩，墩高在9 m左右，采用整體式空心墩。承臺為八邊形，承臺尺寸為56.56 m×18 m×6.0 m（橫×縱×高）。樁基采用鉆孔灌注樁，樁徑3.0 m，單個基礎(chǔ)采用203.0 m鉆孔灌注樁，樁長約50 m。

3.2地震影響、地震動參數(shù)和地震作用

明珠灣大橋采用的地震動輸入?yún)?shù)主要依據(jù)廣東省工程防震研究院提供的《廣州南沙開發(fā)區(qū)新蕉門大橋工程巖土工程初步勘察報告》（以下簡稱安評報告）進行確定，見表1。

表1　抗震設(shè)計反應(yīng)譜之參數(shù)值

3.3結(jié)構(gòu)計算模型和主要輸入?yún)?shù)

明珠灣大橋整體分析時采用三維有限單元模型，其中主桁架、墩、樁基等用梁單元模擬，吊桿用索單元模擬，支承連接條件一般用合理的線性或非線性連接單元模擬。

主桁桿件均使用空間梁單元（beam4）建模，每根主桁架桿件和吊桿均采用一個桿單元來模擬，橋墩單元（beam4）根據(jù)墩高截面尺寸合理劃分。橋面板采用殼單元（shell63）進行簡化處理；結(jié)構(gòu)二期恒載（鋪裝、管道等）采用集中質(zhì)量法轉(zhuǎn)化為質(zhì)點單元（mass21）加到相應(yīng)的主桁架節(jié)點上。樁基通過在樁基礎(chǔ)相應(yīng)位置處設(shè)置縱、橫橋向土彈簧的方法，來考慮樁土相互作用的影響，模型中僅考慮土彈簧剛度，忽略阻尼和質(zhì)量特性的影響，土彈簧采用彈簧單元（Combin14）進行模擬，彈簧剛度根據(jù)土層的m值進行計算，分別設(shè)置縱向、橫向土彈簧。

粘滯阻尼器采用combin37單元進行模擬。

大橋動力有限元模型見圖2。

圖2　大橋動力有限元模型

3.4動力特性結(jié)算結(jié)果

計算分析以重力工況為初始條件，成橋設(shè)計索力以初應(yīng)變的形式輸入。重力工況中考慮幾何非線性的影響。1～20階模態(tài)計算結(jié)果和振型特征見表2。

表2　結(jié)構(gòu)動力特性

3.5彈性反應(yīng)譜分析

明珠灣大橋抗震分析主要包含以下兩個內(nèi)容：（1）彈性反應(yīng)譜分析；（2）非線性時程分析，包括阻尼器參數(shù)分析。

地震動輸入按以下兩種方式組合：縱向+豎向；橫向+豎向。

由于對特殊大橋的抗震設(shè)計中，彈性反應(yīng)譜分析僅作為校核手段，為節(jié)省篇幅，這里略去彈性反應(yīng)譜分析結(jié)果。

3.6非線性抗震分析

非線性抗震計算中考慮了重力工況對于結(jié)構(gòu)動力特性的影響，其中重力工況中考慮了幾何非線性的影響。時程計算時，鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)阻尼比取0.02，混凝土結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05。

地震動輸入按以下兩種方式組合：縱向+豎向；橫向+豎向。

3.6.1阻尼器參數(shù)分析

根據(jù)反應(yīng)譜分析結(jié)果，在縱向地震作用下，由于P28墩設(shè)置了固定支座，地震力主要作用在P28墩，而相同截面和配筋的P27墩最大彎矩非常小，不到P28墩最大彎矩的0.1倍，在這種情況下采用在P27墩和桁架之間位置設(shè)置縱向阻尼器，可達到減小P28墩內(nèi)力，使各墩協(xié)調(diào)受力，同時能夠減小主桁架內(nèi)力和縱向位移，以及支座變形。

明珠灣大橋P27主墩處與桁架連接的阻尼器選型分析的阻尼系數(shù)和速度指數(shù)見表3，在縱向+豎向地震作用下進行不同阻尼器參數(shù)的交叉計算分析，計算結(jié)果取E2地震作用3組地震計算結(jié)果的最大值，共進行了12種不同參數(shù)阻尼器的計算分析。

表3　阻尼器參數(shù)分析工況表

分析結(jié)果顯示：（1）隨著阻尼系數(shù)的增大，P28剪力有明顯的減小，阻尼系數(shù)每增加1 000 kN/（m/s），支座剪力減小5 000～6 000 kN，可見阻尼器能有效降低P28支座縱向剪力；（2）隨著阻尼系數(shù)的增大，P27變形有明顯的減小，阻尼系數(shù)每增加1 000 kN/（m/s），支座剪力減小0.5 kN；（3）阻尼力隨著阻尼系數(shù)的增大而增大，對速度指數(shù)并不敏感。（4）無阻尼器時，P27設(shè)置縱向活動支座，P28墩設(shè)置了固定支座，因此P28墩底彎矩遠大于P27墩，在設(shè)置阻尼器后，阻尼系數(shù)每增加1 000 kN/（m/s），P28墩底減小約40 000 kN·m，而P27墩底彎矩僅增加了5 000 kN·m，可見阻尼器對降低主墩內(nèi)力有明顯作用；（5）隨著阻尼系數(shù)的增大，軸力有一定的減小，阻尼系數(shù)每增加1 000 kN/（m/s），軸力減小1 000～2 000 kN，可見阻尼器對主桁架結(jié)構(gòu)也有一定的減震作用，但是阻尼系大于3 000后，阻尼系數(shù)的影響有減小的趨勢；（6）隨著阻尼系數(shù)的增大，軸力有一定的減小，在阻尼系數(shù)增大到2 000 kN/（m/s）后，軸力有變大的趨勢；（7）隨著阻尼系數(shù)的增大，軸力有一定的減小，在阻尼系數(shù)增大到3 000 kN/（m/s）后，對軸力的影響在減小。

3.6.2非線性時程計算結(jié)果

根據(jù)阻尼器參數(shù)分析結(jié)果，本報告取阻尼器阻尼系數(shù)C=3 000 kN/（m/s）n，速度指數(shù)n=0.3的計算模型，采用非線性時程法進行地震反應(yīng)分析。下部結(jié)構(gòu)計算結(jié)果見表4～表7。為節(jié)省篇幅，僅列出主墩相關(guān)參數(shù)值。

表4　E1地震下部結(jié)構(gòu)結(jié)果（縱向+豎向地震）

表5　E1地震下部結(jié)構(gòu)結(jié)果（橫向+豎向地震）

表6　E2地震下部結(jié)構(gòu)結(jié)果（縱向+豎向地震）

表7　E2地震下部結(jié)構(gòu)結(jié)果（橫向+豎向地震）

3.6.3抗震驗算及阻尼器、支座、結(jié)構(gòu)位移

地震驗算結(jié)果：

E1、E2地震作用下邊桁架最大法向應(yīng)力驗算結(jié)果滿足要求。鋼結(jié)構(gòu)桿件除了SA25-SG26，其他主桁架桿件最大法向應(yīng)力均小于屈服應(yīng)力。SA25-SG26最大法向應(yīng)力為440 MPa。

3.6.4阻尼器分析結(jié)果

阻尼器分析結(jié)果見表8，可見在阻尼系數(shù)C= 3 000，速度指數(shù)n=0.3時，阻尼器產(chǎn)生的最大阻尼力為2 809 kN，最大行程0.213 m，最大速度為0.803 m/s。

表8　阻尼器分析結(jié)果

3.6.5支座分析結(jié)果

主橋支座分析結(jié)果見表9、表10。表中數(shù)值僅為地震響應(yīng)，未和恒載支座反力疊加。

表9　E1地震支座受力分析結(jié)果

表10　E2地震支座受力分析結(jié)果

3.6.6結(jié)構(gòu)位移分析結(jié)果

主桁架關(guān)鍵位置變形見表11，縱向最大位移為0.257 m，橫向最大位移0.797 m。

表11　主桁架關(guān)鍵位置變形（單位：m）

4　結(jié)論

本文通過結(jié)合明珠灣大橋的抗震分析，對大跨度拱橋通過設(shè)置金屬阻尼器的選型和參數(shù)研究，得到結(jié)論如下：

（1）對大跨度拱橋通過設(shè)置金屬阻尼器來減少主墩結(jié)構(gòu)內(nèi)力是有效途徑。

（2）通過以上計算結(jié)果可以看出，較小的速度指數(shù)對減小內(nèi)力是有利的，但影響較??；對阻尼系數(shù)來說，阻尼系數(shù)可有效減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力，尤其是主墩和支座受力。

（3）阻尼器的選型和參數(shù)的選取應(yīng)根據(jù)具體橋型結(jié)構(gòu)采取不同的參數(shù)加以分析對比獲得，使主墩和支座受力相對較小。

U448.22

B

1009-7716（2016）07-0087-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.026

2016-03-08

彭崇乾（1963-），男，湖北仙桃人，高級工程師，從事路橋設(shè)計工作。