蔣建軍，鐘川劍

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司， 成都 610041)

在西部山區(qū)，山高谷深，地震烈度高，公路跨越溝谷時一般采用高墩大跨橋梁，其中大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋具有行車舒適性好、工程造價低、施工技術(shù)成熟、橋梁整體性好、后期管理養(yǎng)護簡便等特點而經(jīng)常被采用[1]。在深切河谷復(fù)雜地形下，大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量重、地震力大，各墩高差異大，地震作用下橋墩受力均勻性較差，常規(guī)設(shè)計時抗震計算難以通過，因此橋梁減震是設(shè)計重點。國內(nèi)學(xué)者對高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的橋墩選型、動力特性、延性抗震等進行了研究，但利用新材料、新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)進行橋梁減震的研究較少。輕質(zhì)高強度高性能混凝土發(fā)展前景好，但在連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁上使用較少，對橋梁抗震性能的影響須進行研究。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在拱橋、斜拉橋、懸索橋上均得到了廣泛應(yīng)用，其主要技術(shù)特點是承載力高、塑性和韌性好、抗震性能優(yōu)越、施工方便[2]。盡管以鋼管混凝土為主要構(gòu)件組成的格構(gòu)柱具有優(yōu)良的延性變形能力、極限承載力高[3]，但在高烈度地震區(qū)高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋上的抗震性能須進一步研究。非線性液體粘滯阻尼器是一種性能優(yōu)良的減震耗能裝置，在斜拉橋、懸索橋上使用廣泛[4]，但在大跨連續(xù)剛構(gòu)橋上的使用較少，其減震效果需要研究。為此，本文以西部山區(qū)某5孔一聯(lián)高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋為例，從上部結(jié)構(gòu)輕型化、墩型優(yōu)化、橋墩剛度匹配、阻尼器耗能等方面進行減震技術(shù)研究，以提高橋梁抗震性能。

1 工程概況

本橋位于攀西高原南側(cè)，河流由北向南斜穿橋軸線。測區(qū)分水嶺山脊海拔在2 700 m左右，河谷底海拔約1 020 m，相對高差約1 680 m，場地為深切高山峽谷地形，屬侵蝕構(gòu)造中高山地貌。橋梁跨徑組合為(19.38+3×22)m預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁+(106+2×200+115+40)m連續(xù)剛構(gòu)，主橋長661 m，如圖1所示。5號橋墩高113 m、6號橋墩高195 m、7號橋墩高178 m、8號輔助墩高8.3 m，其中5號～7號主墩與主梁固結(jié)，8號輔助墩設(shè)置活動支座與主梁連接。主橋橋墩均采用承臺+群樁基礎(chǔ)，樁基嵌入中風(fēng)化基巖。

該橋橋?qū)?6 m，雙向2車道，兩側(cè)設(shè)置非機動車道和人行道。主橋為三向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，主梁為單箱單室截面。箱梁頂板寬16 m，底板寬8.5 m，兩翼板懸臂長3.75 m，頂板設(shè)置2%雙向橫坡，如圖2所示。箱梁跨中、邊跨現(xiàn)澆段、現(xiàn)澆連續(xù)梁段的梁高4.1 m，橋墩與箱梁相接的根部斷面及墩頂0號段梁高13.2 m。

2 地震動參數(shù)及有限元模型

2.1 地震動參數(shù)

根據(jù)大橋工程場地地震安全性評價報告，本橋的地震動參數(shù)見表1。

E1地震作用采用50年超越概率10%的地震動參數(shù)；E2地震作用采用50年超越概率2%的地震動參數(shù)和地震加速度時程波。

單位：cm

地震動參數(shù)50年不同超越概率(%)下的地震反應(yīng)譜10521PGA/(cm·s-2)151202274338Samax0.3780.5050.6850.845T0/s0.040.040.040.04T1/s0.100.100.100.10Tg/s0.450.450.500.50βmax2.52.52.52.5R1.01.01.01.0

注：PGA為地震動峰值加速度；Samax為無量綱水平設(shè)計加速度反應(yīng)譜最大值，以重力加速度g為單位；T0為反應(yīng)譜起始周期；T1為反應(yīng)譜直線上升段最大周期；Tg為反應(yīng)譜特征周期；βmax為反應(yīng)譜放大系數(shù)最大值。

2.2 有限元模型

主橋抗震計算采用空間有限元程序Midas Civil 2017。為了考慮引橋?qū)?號交界墩地震響應(yīng)的影響，采用全橋模型計算。橋墩基礎(chǔ)采用承臺+群樁，為便于研究，計算模型中采用墩底固結(jié)約束[5]。活動支座采用彈性支承模擬，粘滯阻尼器采用一般連接模擬。

E1抗震分析采用多振型反應(yīng)譜法，振型組合采用CQC法；E2抗震計算采用非線性動力時程法，考慮順橋向、橫橋向、豎向地震作用。主橋的抗震性能目標為：1) 在E1地震作用下，樁基、墩柱均保持彈性；2) 在E2地震作用下，樁基保持彈性，墩柱保持彈性或延性滿足要求；3) 主梁與橋墩位移滿足抗震規(guī)范要求。

3 減震技術(shù)研究

大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋梁的減震技術(shù)主要分3個方面：1) 上部結(jié)構(gòu)輕型化；2) 橋墩合理選型及剛度匹配；3) 耗能減震措施。

3.1 上部結(jié)構(gòu)輕型化

橋梁的地震力主要來源于上部結(jié)構(gòu)的震動，減輕上部結(jié)構(gòu)重量是有效的減震措施之一。對于大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋，減輕箱梁重量的主要技術(shù)：1) 鋼混組合梁；2) 輕質(zhì)混凝土；3) 空腹式結(jié)構(gòu)；4) 活性粉末混凝土(RPC)或超高性能混凝土(UHPC)。連續(xù)剛構(gòu)箱梁可采用鋼箱梁與混凝土箱梁組合，如主跨330 m的重慶石板坡長江大橋復(fù)線橋，其中跨103 m采用了鋼箱梁結(jié)構(gòu)[6]。另外，波形鋼腹板箱梁也可大幅減輕上部結(jié)構(gòu)重量，此技術(shù)在日本得到廣泛應(yīng)用[7]。輕質(zhì)混凝土采用陶粒代替碎石作為箱梁混凝土的粗骨料，容重大幅降低，如主跨298 m的挪威Raft Sundet橋[1]。鋼桁腹板PC組合箱梁是一種典型的空腹式結(jié)構(gòu)，具有上部結(jié)構(gòu)自重輕、抗震性能好的特點[8]。空腹式連續(xù)剛構(gòu)另外一種型式是將主墩附近的腹板挖空形成斜腿，可減輕上部結(jié)構(gòu)重量，如主跨290 m的北盤江特大橋[9]。RPC160+C60混凝土混合主梁連續(xù)剛構(gòu)橋可大幅減輕箱梁重量，具有良好的整體受力性能[10]。預(yù)應(yīng)力UHPC連續(xù)剛構(gòu)橋通過利用具有高彈性模量、高強度和良好韌性等優(yōu)點的UHPC材料，減小了結(jié)構(gòu)尺寸，減輕了上部結(jié)構(gòu)重量[11]。

以圖1所示橋梁為例，主橋箱梁分別采用LC60陶粒輕質(zhì)混凝土、RPC160活性粉末混凝土與常規(guī)混凝土進行抗震性能對比研究。根據(jù)JGJ 12—2006《輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，LC60陶粒輕質(zhì)混凝土的密度取1 850 kg/m3，彈性模量取28 200 MPa，抗壓強度標準值取38.5 MPa，抗拉強度標準取2.85 MPa。根據(jù)GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》并參考文獻[10]，RPC160活性粉末混凝土的密度取2 550 kg/m3，彈性模量取45 000 MPa，抗壓強度標準值取96 MPa，抗拉強度標準取6.4 MPa。從薄壁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和施工可操作性考慮，RPC160活性粉末混凝土用于箱梁高度低于8 m的節(jié)段，頂板和腹板厚度采用20 cm，底板厚度采用25 cm，設(shè)置體外預(yù)應(yīng)力鋼束，中支點兩側(cè)各43 m及邊跨現(xiàn)澆段采用C60常規(guī)混凝土。RPC160活性粉末混凝土箱梁節(jié)段布置如圖3所示，截面如圖4所示。5號～7號主墩采用常規(guī)空心薄壁墩、箱梁采用不同混凝土材料時，在E1地震作用下的抗震計算結(jié)果見表2和表3。

從表2可得出，當采用LC60陶粒輕質(zhì)混凝土代替C60常規(guī)混凝土?xí)r，箱梁自重減輕19.2%；當箱梁部分節(jié)段采用RPC160活性粉末混凝土并減小結(jié)構(gòu)尺寸時，箱梁自重減輕18.6%；2種上部結(jié)構(gòu)輕型化方案均使得縱向、橫向第1階振型的周期變短，縱向、橫向地震位移有所減小。

單位:m

圖3RPC160活性粉末混凝土箱梁節(jié)段布置

Fig.3 Section layout of concrete box girders with RPC160 reactive powder

從表3可得出，當箱梁采用LC60陶粒輕質(zhì)混凝土代替C60常規(guī)混凝土或者部分節(jié)段采用RPC160活性粉末混凝土并減小結(jié)構(gòu)尺寸時，各主墩的墩底順橋向彎矩減小21%～29%，橫橋向彎矩減小 2%～5%，如圖5所示；上部結(jié)構(gòu)輕型化對減小順橋向地震力效果較好。

3.2 墩型優(yōu)化

大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋主墩一般采用空心薄壁墩或雙薄壁墩。雙薄壁墩的抗推剛度小，橋梁振動周期長[5]，適用于橋墩高度不大的情況；對于墩高超過100 m的超高墩，由于其穩(wěn)定性稍差，施工難度和風(fēng)險較大，因此較少采用[12]。按照橋墩材料和結(jié)構(gòu)型式劃分，空心薄壁墩有普通鋼筋混凝土空心薄壁橋墩和鋼管混凝土格構(gòu)式空心薄壁墩。根據(jù)研究[13]，橋墩剛度的變化對側(cè)彎和縱飄頻率影響較大，通過墩型優(yōu)化可調(diào)整橋梁結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)。

表2 不同混凝土材料箱梁下的橋梁振動周期及E1地震位移響應(yīng)

表3 不同混凝土材料箱梁下的橋梁5號～7號主墩E1地震彎矩響應(yīng) kN·m

圖5 主墩墩底彎矩減小百分比Fig.5 Percentage reduction of bending moment at bottom of main piers

當墩高位于60 m～100 m范圍時，普通鋼筋混凝土空心薄壁橋墩受力性能較好，其截面尺寸及壁厚隨墩高增大而增大。鋼管混凝土格構(gòu)式空心薄壁墩具有節(jié)約造價、剛度小、質(zhì)量輕、抗震性能好、施工方便的特點[2]，當墩高大于100 m時可獲得較好的經(jīng)濟效益，在西部山區(qū)得到成功應(yīng)用，如四川省雅西高速公路臘八斤特大橋(最大主墩高度達183 m)[2]。為提高鋼管混凝土外層鋼管的耐久性，在鋼管混凝土外圍再包一層20 cm左右的鋼筋混凝土，組成鋼管混凝土疊合柱[14]，是近年來我國特有的新型鋼混組合結(jié)構(gòu)。

圖1所示橋梁的5號～7號橋墩方案如下：

1) 方案1為普通鋼筋混凝土空心薄壁橋墩。5號橋墩順橋向9.4 m、橫橋向10.5 m，壁厚為1.2 m；6號、7號橋墩順橋向11 m、橫橋向10.5 m，壁厚分3段設(shè)置，分別為1.0 m、1.2 m、1.5 m，如圖6所示?；炷翉姸鹊燃墳镃50，豎向間隔15 m設(shè)置1道橫隔板。

(a) 5號橋墩

(b) 6號和7號橋墩

2) 方案2為鋼管混凝土格構(gòu)式空心薄壁墩。橋墩橫橋向?qū)捑鶠?1.9 m，順橋向5號橋墩頂寬9.4 m，6號和7號橋墩墩頂寬11.0 m。鋼管混凝土格構(gòu)式空心薄壁墩由格構(gòu)柱及柱間混凝土肋板形成單箱單室截面，格構(gòu)柱由直徑1.5 m鋼管外包20 cm厚混凝土組成，柱間混凝土肋板壁厚50 cm，如圖7所示。墩內(nèi)豎向每隔12 m設(shè)1道1.0 m厚的橫隔板。鋼管強度為Q370，壁厚34 mm，鋼管內(nèi)灌注C80自密實混凝土，外包混凝土及肋板均采用C50混凝土。橋墩主要由3種不同材料組成(不計支撐骨架及鋼筋影響)，抗震分析計算時需要換算為統(tǒng)一材料，并考慮鋼管混凝土套箍效應(yīng)對剛度和強度的提高[15-16]。橫隔板采用集中質(zhì)量進行模擬。

(a) 5號橋墩

(b) 6號和7號橋墩

方案1與方案2的橋墩截面彈性模量、面積、慣性矩及抗彎剛度對比情況見表4。

從表4可得出，鋼管混凝土格構(gòu)式空心薄壁墩與普通鋼筋混凝土空心薄壁橋墩相比：1) 截面面積大幅減小，5號橋墩減小41.2%，6號和7號橋墩減小32.6%～52.4%；2) 順橋向截面抗彎剛度大幅降低，5號橋墩減小24.9%，6號和7號橋墩減小14.5%～34.0%；3) 橫橋向截面抗彎剛度有增有減，6號和7號橋墩的墩底減小約15.5%。對比結(jié)果如圖8所示。

采用2種不同橋墩型式時，本橋的第1階振型均為主梁與主墩橫向側(cè)彎，第2階振型均為主墩縱彎，計算得到橋梁的振動周期與E1地震位移響應(yīng)，見表5。

從表5可以看出，采用方案2時主要振型的振動周期有所延長，E1地震位移響應(yīng)有所增加。

采用2種不同橋墩型式對應(yīng)得到的E1地震墩底彎矩響應(yīng)見表6。

表4 2種不同方案截面設(shè)計參數(shù)

圖8 截面面積及抗彎剛度減小百分比Fig.8 Percentage reduction of section area and bending stiffness

從表6可以得出，在E1地震作用下，鋼管混凝土格構(gòu)式空心薄壁墩與普通鋼筋混凝土空心薄壁橋墩相比，墩底彎矩順橋向降低19.4%～29.4%，橫橋向降低10.8%～23.7%。主要原因：1) 截面抗彎剛度降低，振動周期有所延長，對應(yīng)加速度反應(yīng)譜值減??；2) 橋墩截面面積減小，質(zhì)量減小，橋墩自身振動對墩底內(nèi)力的貢獻減小。

3.3 橋墩剛度匹配

山區(qū)橋梁受地形變化影響，墩高存在較大差異，當采用相同截面尺寸的橋墩時，矮墩的線剛度大，承擔(dān)更多地震力，各墩受力均勻性差。為此，需要調(diào)整橋墩剛度，使承載力與所受地震力相匹配。對于高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋，橫向剛度較小，地震作用下墩頂位移大，橫向抗震設(shè)計是重點。

以圖1所示橋梁為列，從表5可以看出，第1階振型為橫向側(cè)彎，且橫向振動周期較長，導(dǎo)致橫向位移較大，對結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定不利。從表6可以看出，5號橋墩E1地震作用下的縱向彎矩比6號、7號橋墩大，而5號橋墩的截面尺寸相對較小，結(jié)構(gòu)受力不合理。其原因在于5號橋墩與6號、7號橋墩的墩高差異過大，而抗推剛度與墩高的3次方成反比，造成5號橋墩抗推剛度明顯大于6號、7號橋墩，從而承擔(dān)了更多縱向地震力。

表5 2種不同墩型方案下的振動周期與E1地震位移響應(yīng)

表6 2種不同墩型方案下的E1地震墩底彎矩響應(yīng) kN·m

為了解決橫向位移過大和5號橋墩承擔(dān)地震力過多的問題，對6號、7號橋墩截面橫向尺寸從上至下采取按60∶1放坡逐漸增大的調(diào)整方案，稱為方案3。橋墩剛度匹配前后各主墩順橋向和橫橋向的線剛度EI/L(EI為抗彎剛度，L為墩高)見表7。

表7 各主墩的線剛度 MN·m

從表7可得出，6號、7號橋墩截面從上至下橫向尺寸按60∶1放坡后，順橋向線剛度分別增加19.8%、18.3%，橫橋向線剛度分別增加145.5%、127.8%。

橋墩采用方案3時橋梁振動周期與E1地震位移響應(yīng)見表8。

從表7、表8可以得出：1) 6號、7號橋墩采用橫向放坡后，橋梁結(jié)構(gòu)橫橋向剛度增大，橫橋向第1階振型的振動周期降低；2) E1地震作用下橋梁橫向位移降低24.4%；3) 第1階縱向振動周期與E1地震作用下橋梁縱向位移無明顯變化。

方案3的E1地震墩底彎矩響應(yīng)見表9。

表8 對應(yīng)墩型方案3的橋梁振動周期與E1地震位移響應(yīng)

表9 方案3的E1地震墩底彎矩響應(yīng) kN·m

與表6的方案2進行對比，可以得出：1) E1地震作用下，5號橋墩順橋向彎矩變化不大，6號、7號橋墩順橋向彎矩分別增加16.3%和15.3%；2) E1地震作用下，5號橋墩橫橋向彎矩有所減小，6號、7號橋墩橫橋向彎矩分別增加78.6%和63%。主要原因是6號、7號橋墩橫橋向抗彎剛度提高較多，承擔(dān)了更多橫向地震力。6號、7號橋墩截面抗彎剛度增加幅度遠大于地震彎矩增加幅度，因此結(jié)構(gòu)更加安全，且橫橋向穩(wěn)定性更好。

3.4 阻尼器耗能措施

連續(xù)剛構(gòu)橋梁的主墩與箱梁固結(jié)，無設(shè)置支座條件；交界墩、橋臺處可設(shè)置滑動摩擦支座、高阻尼橡膠支座、鉛芯橡膠支座等減震、隔震支座進行耗能。本橋橋梁跨度大、主墩高度大，地震時主墩不宜出現(xiàn)塑性鉸，以免墩頂位移過大，因此主墩在E2地震作用下應(yīng)保持彈性狀態(tài)。橋梁減震、隔震體系包含隔震器與阻尼器2大類[17]。阻尼器包含彈塑性阻尼器、粘滯阻尼器、油阻尼器、干摩擦阻尼器[17]，其中非線性粘滯阻尼器由于耗能性能優(yōu)良，常被應(yīng)用于大跨度橋梁[4]。本橋在右岸主橋梁端與橋臺之間順橋向設(shè)置4個非線性粘滯阻尼器，其力學(xué)計算公式[4]為：

Fd=C·Vα

式中：Fd為阻尼力，kN；C為阻尼系數(shù)；V為阻尼器兩端的相對速度，m/s；α為速度指數(shù)。通過對比分析研究，本橋C=1 800 kN/(m/s)α，α=0.35。

非線性時程分析采用常加速度直接積分法，阻尼矩陣采用瑞利阻尼，分析結(jié)果取3組時程波計算的最大值。E2地震作用下，采用方案3在梁端設(shè)置非線性粘滯阻尼器對橋梁順橋向抗震性能的影響見表10。

從表10可以看出，順橋向設(shè)置粘滯阻尼器對橋梁抗震性能有顯著提高：1) 有效降低梁端縱向位移，降幅達45.5%；2) 順橋向墩底彎矩大幅降低，約減小33.1%～39.8%。

表10 設(shè)置粘滯阻尼器對橋梁順橋向抗震性能的影響

4 結(jié)論

對于高烈度地震山區(qū)高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋，通過計算分析研究，采取以下減震技術(shù)可以有效提高橋梁的抗震性能：

1) 主橋箱梁采用陶粒輕質(zhì)混凝土或部分節(jié)段采用高強度活性粉末混凝土，可減輕上部結(jié)構(gòu)重量，對減小順橋向的地震力效果較好。

2) 主墩采用鋼管混凝土格構(gòu)式空心薄壁墩能減少混凝土用量，減輕橋墩自重，降低橋墩剛度，從而減小橋墩地震力響應(yīng)。

3) 根據(jù)山區(qū)橋梁墩高差異大的特點，通過對高墩從上至下放坡優(yōu)化橋墩截面尺寸，使地震作用下各橋墩底內(nèi)力分布更加合理；高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋橫橋向剛度小、位移大、橋墩地震力大，合理的橋墩剛度匹配措施可有效提高橋梁橫向剛度，減小橫橋向位移，使各橋墩的承載力與所受地震力相匹配。

4) 在主橋梁端設(shè)置非線性粘滯阻尼器，可在地震發(fā)生時顯著減小順橋向位移和橋墩地震力。