莊 嚴(yán)

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

隨著我國(guó)各大城市軌道交通的快速發(fā)展，城市軌道交通高架橋在城市交通網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)越來(lái)越重要的地位。如何建立正確的抗震設(shè)計(jì)方案，降低災(zāi)害損失，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設(shè)防思想，在高烈度地震區(qū)橋梁設(shè)計(jì)中起著重要的作用[1]。

相對(duì)各大干線鐵路，城市軌道交通高架橋梁具有結(jié)構(gòu)自重小、剛度弱等特點(diǎn)。目前，城市軌道交通橋梁抗震設(shè)計(jì)仍以延性設(shè)計(jì)為主，該設(shè)計(jì)方法主要依靠增加結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度、變形能力抗震，盡管通過(guò)適當(dāng)選擇塑性鉸位置和細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)可以防止結(jié)構(gòu)的倒塌，但結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷不可避免。另外，依據(jù)公路、城市及地鐵相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，延性設(shè)計(jì)時(shí)基礎(chǔ)應(yīng)作為能力保護(hù)構(gòu)件，進(jìn)行能力保護(hù)設(shè)計(jì)，這往往增加基礎(chǔ)的尺寸和配筋量，特別是在高烈度地震區(qū)及地質(zhì)條件較差的地區(qū)，基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)顯得尤為困難。與延性抗震設(shè)計(jì)相比，減隔震設(shè)計(jì)可以減小橋墩所受內(nèi)力從而保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)免受地震破壞，提高橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，避免橋墩破壞后修復(fù)困難[2-3]。

本文以晉中—太原軌道交通L2號(hào)線為工程背景，以30 m標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支橋梁為研究對(duì)象，采用雙曲面球型減隔震支座對(duì)橋梁進(jìn)行減隔震設(shè)計(jì)，探索城市軌道交通高架橋梁的減隔震設(shè)計(jì)與計(jì)算方法。

1 雙曲面球型減隔震支座工作原理

雙曲面球型減隔震支座(見圖1)的減隔震工作原理：當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生且支座所受水平力超過(guò)設(shè)計(jì)值時(shí)，支座限位裝置剪斷，支座的水平限位約束解除，大半徑球面摩擦副即可在水平方向自由滑移。由于雙曲面球型減隔震支座發(fā)揮減隔震作用，橋梁體系的固有結(jié)構(gòu)周期由原來(lái)較小的周期延長(zhǎng)為較大的周期，使橋梁體系避開了地震能量密集區(qū)，有效降低了橋梁體系的地震響應(yīng)。支座在滑移過(guò)程中，由于摩擦阻力消耗部分地震能量，地震過(guò)后支座的恢復(fù)力使梁體恢復(fù)到原設(shè)計(jì)位置附近[4]。

1-下座板；2-中座板；3-雙球面聚乙烯滑板；4-雙球面不銹鋼滑板；5-限位板；6-上座板。圖1 雙曲面球型減隔震支座結(jié)構(gòu)示意

2 雙曲面減隔震支座的恢復(fù)力模型

對(duì)于直線橋梁，雙曲面球型減隔震支座的恢復(fù)力模型可近似為雙線性[5-8]，其滯回曲線見圖2。

圖2 雙曲面球型減隔震支座滯回曲線

(1)

(2)

(3)

式中：Kp為數(shù)值計(jì)算時(shí)需要輸入的初始剛度；Kc為支座屈服后剛度，為滯回曲線平行四邊形中上部或下部直線的斜率；Keff為等效剛度；μ為滑動(dòng)摩擦系數(shù)；W為支座豎向承載力；dy為屈服位移；R為支座等效曲面半徑；F為支座水平力；D為支座的地震位移，先估值計(jì)算，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果再作調(diào)整。

3 雙曲面球型減隔震設(shè)計(jì)原則

在地震作用下，高架橋梁必須滿足“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)[9]。同時(shí)，鑒于城市軌道交通生命線工程的重要性及工程結(jié)構(gòu)震后修復(fù)困難，城市軌道交通高架橋梁需要有較高的抗震性能要求。為盡可能減少小地震對(duì)高架橋梁的影響，提高強(qiáng)震下高架橋梁的抗震性能，本文建議城市軌道交通高架減隔震設(shè)計(jì)盡量滿足以下原則[4,10]：

1)多遇地震作用下，支座限位裝置不剪斷，此時(shí)支座與普通球型支座一樣，橋梁利用支座及下部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度抗震，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)。為了安全起見，支座剪斷力可取1.2～1.5倍多遇地震下墩頂水平力。

2)設(shè)計(jì)地震作用下，支座限位裝置已剪斷，雙曲面球型減隔震支座發(fā)揮減隔震作用，恢復(fù)力模型為雙線性，橋墩與基礎(chǔ)處于彈性狀態(tài)。

3)罕遇地震作用下，支座限位裝置已剪斷，雙曲面減隔震支座的功能與設(shè)計(jì)地震作用下相同。橋墩與基礎(chǔ)處于基本彈性狀態(tài)。

4 抗震分析

4.1 基本參數(shù)

以晉中—太原軌道交通L2號(hào)線3孔30 m標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支橋梁為例。梁體采用單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，橋墩采用矩形花瓶形實(shí)體墩，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。橋址區(qū)設(shè)防烈度為8度，地震動(dòng)峰值加速度為0.2g，場(chǎng)地類別Ⅲ類，場(chǎng)地特征周期0.55 s。橋墩構(gòu)造尺寸見圖3，不同墩高橋墩及樁基尺寸見表1。

圖3 橋墩構(gòu)造(單位：cm)

墩高H / m墩身坡率墩身尺寸(A×B)/m樁基布置/mH≤12直坡2.2×2.25?1.212

雙曲面球型減隔震支座參數(shù)的選取見表2。

表2 雙曲面球型減隔震支座參數(shù)

4.2 計(jì)算模型

圖4 計(jì)算模型

主梁混凝土采用C50，橋墩及承臺(tái)混凝土采用C40。選取3孔30 m的簡(jiǎn)支梁，橋墩為等高墩，利用MIDAS/Civil軟件建立有限元模型，對(duì)不同墩高的簡(jiǎn)支橋進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算模型見圖4。為考慮樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)群樁基礎(chǔ)變形的影響，采用工程上比較常用的“m”法，將樁基等效為地基彈簧。樁基等效剛度見表3。采用反應(yīng)譜法計(jì)算多遇地震力，采用非線性時(shí)程法計(jì)算罕遇地震力。非線性時(shí)程分析時(shí)，雙曲面球型減隔震支座采用MIDAS中的“減隔震支座隔震裝置”非線性連接單元。選取本線工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)中的3條時(shí)程波進(jìn)行計(jì)算，時(shí)程分析結(jié)果取3組計(jì)算結(jié)果的最大值。罕遇地震下3條安全性評(píng)價(jià)時(shí)程波見圖5。

表3 樁基等效剛度 kN/m

圖5 罕遇地震下3條安全性評(píng)價(jià)時(shí)程波

4.3 支座剪斷力的確定

根據(jù)雙曲面球型減隔震支座的減隔震工作原理，當(dāng)?shù)卣鹱饔贸^(guò)多遇地震作用時(shí)，支座限位裝置剪斷，達(dá)到減隔震的效果。根據(jù)多遇地震水平地震力，反算支座需要承擔(dān)的水平地震力與墩頂支座豎向設(shè)計(jì)承載力的比值N，詳見表4。

表4墩頂水平地震力與墩頂支座豎向設(shè)計(jì)承載力的比值N

墩高H /mN/%橫向無(wú)車橫向有車縱向無(wú)車縱向有車4313331318272724241219201717161818161620181817172417171515

注:墩頂支座豎向設(shè)計(jì)承載力為6 000 kN。

由表4可見:在多遇地震作用下橋墩越矮支座水平剪力越大，即橋跨結(jié)構(gòu)相同條件下墩高不同支座的水平地震力亦不同；當(dāng)墩高H≤8 m時(shí)，隨墩高減小墩頂水平地震力增大比較明顯，當(dāng)墩高8 m

在確定支座剪斷力時(shí)可按高墩(H>8 m)與矮墩(H≤8 m)分別確定。墩高H≤8 m時(shí)，剪斷力取支座豎向設(shè)計(jì)承載力的33%；墩高H>8 m時(shí)，剪斷力取支座豎向設(shè)計(jì)承載力的25%。另外，考慮支座材料偏差以及其他安全因素，支座剪斷力選取時(shí)留適當(dāng)?shù)母辉Ｖ担@里取1.2倍安全系數(shù)，以保證在多遇地震作用下支座不被剪斷。所以，墩高H≤8 m時(shí)，剪斷力取 2 380 kN；墩高H>8 m時(shí)，剪斷力取 1 800 kN。

4.4 減隔震效果分析

為了考察雙曲面減隔震支座的減隔震效果，對(duì)橋梁分別采用雙曲面球型減隔震支座和普通球型鋼支座進(jìn)行對(duì)比分析。在多遇地震作用下支座限位裝置不間斷，雙曲面球型減隔震支座和普通球型鋼支座效果一致。因此，僅分析罕遇地震作用下的計(jì)算結(jié)果，順橋向與橫橋向隔震率見表5。

由表5可見：在罕遇地震作用下，采用雙曲面球型減隔震支座相比采用普通球型鋼支座，墩底的彎矩與剪力值均顯著減小，彎矩減小了48.1%～83.2%，剪力減小了36.6%～84.0%；同時(shí)，墩高越低彎矩與剪力減小幅度越大，說(shuō)明同樣設(shè)置雙曲面球型減隔震支座，低墩的隔震效果明顯優(yōu)于高墩。

表5 不同墩高在罕遇地震作用下的隔震效果

注：減震率=(普通球形鋼支座-雙曲面球型減隔震支座)/普通球形鋼支座[11-12]。

4.5 橋墩地震響應(yīng)分析

通過(guò)分析計(jì)算，不同墩高在橫向、縱向地震作用下墩底彎矩分別見表6、表7。

表6 不同墩高在橫向地震作用下墩底彎矩

表7 不同墩高在縱向地震作用下墩底彎矩

為了使結(jié)果更為直觀，將表6、表7的結(jié)果以柱狀圖形式示出，見圖6。

圖6 不同墩高在地震作用下墩底彎矩

由表6、表7及圖6可見：多遇地震、支座剪斷及罕遇地震各工況，墩底縱向與橫向彎矩均隨墩高增加而增大；在墩高H≤20 m時(shí)，各工況墩底彎矩的差異不大且墩底彎矩均由支座剪斷工況控制；墩高H>20 m時(shí)，在支座剪斷及罕遇地震工況墩底彎矩比多遇地震工況明顯增大，且墩底彎矩由罕遇地震工況控制。

墩高H≤20 m時(shí)，采用雙曲面球型減隔震支座進(jìn)行減隔震設(shè)計(jì)比較合理；當(dāng)墩高H>20 m時(shí)，建議分別采用延性設(shè)計(jì)和減隔震設(shè)計(jì)，根據(jù)對(duì)比分析結(jié)果，選取更合理的抗震設(shè)計(jì)方法。

4.6 橋墩與基礎(chǔ)檢算

對(duì)支座剪斷及罕遇地震各工況不同墩高下橋墩墩身及樁基進(jìn)行檢算。其中，橋墩檢算選擇墩底截面，樁基檢算選擇樁頂截面及樁身彎矩最大處截面。計(jì)算結(jié)果見表8、表9。

表8 不同墩高下橋墩計(jì)算值

由表8、表9可見：橋墩墩身配筋率為16.6‰～20.5‰，地震作用下橋墩由配筋控制設(shè)計(jì)，最大鋼筋拉應(yīng)力為321.2 MPa，略大于315 MPa，橋墩基本處于彈性受力狀態(tài)；樁基配筋率為13.9‰，地震作用下樁基由配筋控制設(shè)計(jì)，最大鋼筋拉應(yīng)力為328 MPa，略大于315 MPa，樁基基本處于彈性受力狀態(tài)。

表9 不同墩高下樁基計(jì)算值

4.7 位移計(jì)算

在罕遇地震作用下，支座已經(jīng)剪斷，雙曲面減隔震支座開始起減隔震作用。此時(shí)，墩梁相對(duì)位移見表10。

表10 罕遇地震墩梁相對(duì)位移

由表10可見，墩高越高墩梁相對(duì)位移越大。墩高24 m時(shí)，墩梁最大縱向相對(duì)位移117 mm，最大橫向相對(duì)位移120 mm。梁縫取值時(shí)，建議不宜小于120 mm，可以盡量減小在罕遇地震作用下相鄰梁間的碰撞作用。設(shè)置防落梁擋塊時(shí)，擋塊與支承墊石間縫隙值建議不應(yīng)小于120 mm，以保證在預(yù)定的罕遇地震作用下防落梁擋塊不參與受力，超過(guò)預(yù)定的罕遇地震時(shí)，防落梁擋塊再起作用。

5 結(jié)論與建議

本文依據(jù)實(shí)際軌道交通工程項(xiàng)目，對(duì)設(shè)置雙曲面球型減隔震支座的30 m標(biāo)準(zhǔn)跨簡(jiǎn)支梁進(jìn)行地震響應(yīng)分析，探索城市軌道交通高架橋梁的減隔震設(shè)計(jì)計(jì)算方法。主要研究結(jié)論如下：

1)通過(guò)對(duì)不同墩高在多遇地震下的地震響應(yīng)規(guī)律的分析，合理確定了支座剪斷力。在多遇地震作用下支座不剪斷，結(jié)構(gòu)受力與普通支座一致，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

2)在罕遇地震作用下，采用雙曲面球型減隔震支座相比采用普通球型鋼支座，墩底的彎矩與剪力值均顯著減小，彎矩減小了48.1%～83.2%，剪力減小了36.6%～84.0%。同樣設(shè)置雙曲面球型減隔震支座，低墩的隔震效果明顯優(yōu)于高墩。

3)墩高較低時(shí)，采用雙曲面球型減隔震支座進(jìn)行減隔震設(shè)計(jì)比較合理；當(dāng)墩高較高時(shí)，建議分別采用延性設(shè)計(jì)和減隔震設(shè)計(jì)，根據(jù)對(duì)比分析結(jié)果，選取更合理的抗震設(shè)計(jì)方法。

4)在罕遇地震作用下支座剪斷，雙曲面減隔震支座發(fā)揮減隔震作用，橋墩及樁基仍處于彈性工作狀態(tài)，滿足既定的設(shè)防目標(biāo)。

5)建議梁縫、擋塊與支承墊石間縫隙的取值，不宜過(guò)小，宜根據(jù)墩梁最大相對(duì)位移綜合考慮。

采用雙曲面減隔震的橋梁能有效降低地震響應(yīng)，避免結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷、震后修復(fù)困難等問(wèn)題，能產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本文可為地質(zhì)條件復(fù)雜及地震高烈度城市地區(qū)的軌道交通橋梁提供設(shè)計(jì)依據(jù)，也可為今后相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的修訂提供技術(shù)支持。

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