□文/程永歡

近年來，隨著交通運輸壓力日益增大，為緩解施工期間對周圍交通及周邊居民生活環(huán)境的干擾，縮短施工時間，快速、綠色施工成為城市橋梁建設(shè)面臨的迫切需求，全預(yù)制拼裝橋梁施工技術(shù)應(yīng)運而生并在國內(nèi)迅速推廣。目前上海、長沙、成都、紹興、長春等地都在大量采用全預(yù)制拼裝橋梁施工技術(shù)。經(jīng)過長期的發(fā)展，橋梁上部結(jié)構(gòu)的裝配化設(shè)計技術(shù)已經(jīng)非常成熟，全預(yù)制拼裝橋梁需要解決的是下部結(jié)構(gòu)的預(yù)制及連接問題，而下部結(jié)構(gòu)抗震性能的研究是關(guān)鍵問題之一。

中新天津生態(tài)城航海道跨海濱大道連接力高匝道橋工程為天津首座采用預(yù)制拼裝技術(shù)設(shè)計施工的橋梁。工程位于抗震烈度8度區(qū)，具有高地震烈度、濱海環(huán)境、軟土地基等特點，對橋梁抗震設(shè)計較為不利，因此對其進(jìn)行抗震性能分析具有重要的意義。本文以該工程為背景，選擇代表性聯(lián)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)分析并進(jìn)行減隔震設(shè)計。

1 工程概況

中新天津生態(tài)城航海道跨海濱大道連接力高匝道橋工程包含WN及NW 兩條新建匝道。匝道上部結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段采用20 m先簡支后橋面連續(xù)小箱梁，跨線橋部分采用連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)；下部結(jié)構(gòu)主要采用獨柱接蓋梁柱式墩和設(shè)系梁的雙柱墩兩種形式，立柱尺寸為1.8 m×2.0 m，采用鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)。橋墩采用全預(yù)制拼裝工藝進(jìn)行施工，立柱與蓋梁和承臺之間采用灌漿套筒進(jìn)行連接。

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，擬建場地抗震設(shè)防烈度為8度，地震動峰值加速度為0.20g，設(shè)計地震分組為第二組。擬建場地為Ⅳ類建筑場地，地基土類型屬軟弱土。橋梁抗震設(shè)防類別為丙類，E1地震作用下抗震重要性系數(shù)取0.46，E2地震作用下重要性修正系數(shù)取2.0；抗震設(shè)計方法為A類；抗震措施按照9度設(shè)防。

2 有限元模型

2.1 模型

采用MIDAS Civil 程序建立本橋的有限元模型。模型中，主梁、橋墩、樁基均采用梁單元進(jìn)行模擬；橋面鋪裝、護欄、橫隔板等荷載以梁單元荷載的形式施加在主梁單元上并將荷載轉(zhuǎn)化為質(zhì)量，以考慮其對結(jié)構(gòu)動力特性的影響；采用土彈簧考慮樁土的共同作用。見圖1。

圖1 動力計算模型

2.2 支座模擬

支座的模擬分為兩個階段：第一階段采用普通球形鋼支座，一般支撐的形式施加約束，運用反應(yīng)譜方法進(jìn)行試算；第二階段根據(jù)試算結(jié)果采用減隔震支座進(jìn)行減隔震設(shè)計，采用非線性時程分析方法進(jìn)行地震響應(yīng)分析。

減隔震支座采用彈塑性鋼阻尼支座。該類型支座將普通的球形鋼支座與彈塑性鋼阻尼器相結(jié)合，既實現(xiàn)了常規(guī)支座承載、轉(zhuǎn)動和滑動的功能，同時在地震時又可以利用彈塑性鋼阻尼器耗散地震能量，達(dá)到減隔震的效果，避免結(jié)構(gòu)發(fā)生地震破壞。彈塑性鋼阻尼支座具有外型美觀、耗能能力強、耐久性好、維護成本低等優(yōu)點，在橋梁減隔震設(shè)計中應(yīng)用較為廣泛。見圖2。

圖2 彈塑性鋼阻尼支座

彈塑性鋼阻尼支座的彈塑性鋼阻尼器和支座摩擦力可以分別簡化為雙線性恢復(fù)力模型和雙線性理想彈塑性恢復(fù)力模型。見圖3和圖4。

圖3 彈塑性鋼阻尼器雙線性恢復(fù)力模型

圖4 支座摩擦力雙線性理想彈塑性恢復(fù)力模型

2.3 地震動輸入的確定

根據(jù)文獻(xiàn)[1]的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合本工程的場地特點確定本橋水平方向設(shè)計加速度反應(yīng)譜，見圖5。

圖5 E1及E2水準(zhǔn)下水平向設(shè)計加速度反應(yīng)譜

根據(jù)試算結(jié)果，結(jié)構(gòu)在E1狀態(tài)下就將進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，需要進(jìn)行減隔震設(shè)計。故根據(jù)文獻(xiàn)[1～2]要求，依據(jù)E1、E2水平設(shè)計反應(yīng)譜分別生成三條人工時程波進(jìn)行非線性時程分析。見圖6和圖7。

圖6 E1水準(zhǔn)下三條人工時程波

圖7 E2水準(zhǔn)下三條人工時程波

2.4 曲線橋梁的地震輸入方向

曲線梁橋由于結(jié)構(gòu)軸線隨著道路線性不斷變化，其動力特性相比規(guī)則直線橋梁也有一定差異，地震響應(yīng)最不利方向，不一定就是全局坐標(biāo)系的縱向或者橫向。對于曲線橋梁的地震輸入方向，應(yīng)按照計算聯(lián)逐跨的中心連線方向分別縱橫向輸入并取包絡(luò)值，以此計算曲線橋梁的地震最大響應(yīng)[1]。

3 計算與分析

3.1 自振特性分析

橋梁動力特性分析是研究橋梁振動問題的基礎(chǔ)，為計算地震作用下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，必須先進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性分析。本橋自振特性分析采用多重利茲方法，為保證振型階數(shù)在計算方向獲得90%以上的有效質(zhì)量[1～2]，經(jīng)試算取前100 階振型。表1 給出結(jié)構(gòu)的前5階周期以及振型描述。

表1 橋梁結(jié)構(gòu)周期以及振型描述

3.2 地震響應(yīng)分析及驗算

采用E1和E2兩種概率水平、阻尼比為5%的設(shè)計反應(yīng)譜對該橋進(jìn)行抗震性能分析。E1水準(zhǔn)地震首先采用彈性反應(yīng)譜法計算，若支座水平承載力不滿足要求，再采用設(shè)計反應(yīng)譜生成的人工時程波進(jìn)行非線性時程分析；E2水準(zhǔn)下由于支座進(jìn)入非線性狀態(tài)，直接采用設(shè)計反應(yīng)譜生成的人工時程波進(jìn)行非線性時程分析。

3.2.1 反應(yīng)譜分析

選擇P7～P10（連續(xù)鋼箱梁）和P12～P14(小箱梁)兩聯(lián)代表性的結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)進(jìn)行E1地震作用下的地震響應(yīng)分析。見表2。

表2 E1水準(zhǔn)下支座地震響應(yīng)

由表中2可知，固定墩P9、P13墩支座在E1水準(zhǔn)地震作用下縱向剪力超過了支座縱向限位力，支座縱向被剪斷。所有的支座在E1水準(zhǔn)地震作用下的橫向剪力基本都超過支座橫向水平限位力，支座橫向被剪斷。因此可判定，計算聯(lián)在E1水準(zhǔn)下已經(jīng)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，需進(jìn)行非線性時程分析。

3.2.2 非線性時程分析

根據(jù)E1、E2水準(zhǔn)下反應(yīng)譜生成的地震波，進(jìn)行非線性時程分析計算，對支座位移、立柱及樁基承載力進(jìn)行驗算。見圖8-圖11。

圖8 支座位移驗算

圖9 立柱控制截面承載力驗算（縱向）

圖10 立柱控制截面承載力驗算（橫向）

圖11 樁基控制截面承載力驗算（縱橫向組合）

由圖8 可以看出，在E1地震作用下，各減隔震支座位移均在設(shè)計容許位移之內(nèi)，滿足性能要求；在E2地震作用下，部分支座位移略微超出容許位移，但是超出幅度并不大，考慮到橋梁上設(shè)置了彈塑性限位裝置，當(dāng)支座位移接近容許值時，限位裝置也將發(fā)揮協(xié)同作用，主梁基本不會產(chǎn)生落梁風(fēng)險，因此可以認(rèn)為滿足性能要求。

由圖9 和圖10 可以看出，在E1地震作用下，所有橋墩軸力均為壓力，橋墩立柱縱向和橫向的彎矩值均小于初次屈服彎矩，立柱受力均在彈性受力范圍。在E2地震作用下，除P7 橋墩外，其余墩柱彎矩均小于初次屈服強度，均在彈性工作范圍。而P7 墩彎矩略微超過初次屈服強度，小于等效屈服強度，此時截面可能發(fā)生輕微損傷，結(jié)構(gòu)整體反應(yīng)基本還在彈性范圍，可以認(rèn)為滿足抗震性能要求。

由圖11 可以看出，在E1水準(zhǔn)地震作用下，樁基均處于受壓狀態(tài)，彎矩均小于初次屈服強度，樁基構(gòu)件受力均在彈性受力范圍，滿足規(guī)范要求；在E2水準(zhǔn)地震作用下，大部分橋墩的樁基會出現(xiàn)拉力，但拉力不大，彎矩均小于等效屈服強度，樁基構(gòu)件受力均在彈性受力范圍，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論與展望

綜合以上分析可以看出，本工程采用常規(guī)球形鋼支座，橋梁抗震性能無法滿足規(guī)范要求。采用減隔震設(shè)計后，E1地震作用下，支座剪力銷就會剪斷，進(jìn)入彈塑性耗能工作狀態(tài)。但基礎(chǔ)、橋墩等還處于彈性狀態(tài)，不會發(fā)生破壞，滿足結(jié)構(gòu)震后立即使用的抗震性能目標(biāo)要求。E2地震作用下，支座位移滿足容許值要求；墩柱，基礎(chǔ)等處于彈性狀態(tài)基本無損傷，滿足該水準(zhǔn)下的抗震性能目標(biāo)要求。

本工程通過減隔震設(shè)計，橋梁結(jié)構(gòu)可以滿足相關(guān)抗震設(shè)計規(guī)范要求，進(jìn)一步說明在濱海、軟弱土場地環(huán)境、高烈度地區(qū)采用全預(yù)制拼裝橋梁結(jié)構(gòu)是可行的，可以為同類橋梁的設(shè)計提供一定的依據(jù)?！酢?/p>