□文/程永歡

近年來(lái)，隨著交通運(yùn)輸壓力日益增大，為緩解施工期間對(duì)周?chē)煌爸苓吘用裆瞽h(huán)境的干擾，縮短施工時(shí)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(yùn)而生并在國(guó)內(nèi)迅速推廣。目前上海、長(zhǎng)沙、成都、紹興、長(zhǎng)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(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展，橋梁上部結(jié)構(gòu)的裝配化設(shè)計(jì)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(wèn)題，而下部結(jié)構(gòu)抗震性能的研究是關(guān)鍵問(wèn)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(jì)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(diǎn)，對(duì)橋梁抗震設(shè)計(jì)較為不利，因此對(duì)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(jì)。

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(jiǎn)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(dú)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(tái)之間采用灌漿套筒進(jìn)行連接。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，擬建場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為8度，地震動(dòng)峰值加速度為0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組。擬建場(chǎng)地為Ⅳ類(lèi)建筑場(chǎng)地，地基土類(lèi)型屬軟弱土。橋梁抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi)，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(jì)方法為A類(lèi)；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?jiǎn)卧M(jìn)行模擬；橋面鋪裝、護(hù)欄、橫隔板等荷載以梁?jiǎn)卧奢d的形式施加在主梁?jiǎn)卧喜⒑奢d轉(zhuǎn)化為質(zhì)量，以考慮其對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響；采用土彈簧考慮樁土的共同作用。見(jiàn)圖1。

圖1 動(dòng)力計(jì)算模型

2.2 支座模擬

支座的模擬分為兩個(gè)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(yùn)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(jì)，采用非線性時(shí)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(lèi)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(shí)現(xiàn)了常規(guī)支座承載、轉(zhuǎn)動(dòng)和滑動(dòng)的功能，同時(shí)在地震時(shí)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(qiáng)、耐久性好、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在橋梁減隔震設(shè)計(jì)中應(yīng)用較為廣泛。見(jiàn)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(jiǎn)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(jiàn)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(dòng)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(chǎng)地特點(diǎn)確定本橋水平方向設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜，見(jiàn)圖5。

圖5 E1及E2水準(zhǔn)下水平向設(shè)計(jì)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(jì)。故根據(jù)文獻(xiàn)[1～2]要求，依據(jù)E1、E2水平設(shè)計(jì)反應(yīng)譜分別生成三條人工時(shí)程波進(jìn)行非線性時(shí)程分析。見(jiàn)圖6和圖7。

圖6 E1水準(zhǔn)下三條人工時(shí)程波

圖7 E2水準(zhǔn)下三條人工時(shí)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(dòng)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(duì)于曲線橋梁的地震輸入方向，應(yīng)按照計(jì)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(jì)算曲線橋梁的地震最大響應(yīng)[1]。

3 計(jì)算與分析

3.1 自振特性分析

橋梁動(dòng)力特性分析是研究橋梁振動(dòng)問(wèn)題的基礎(chǔ)，為計(jì)算地震作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，必須先進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)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(jì)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(yàn)算

采用E1和E2兩種概率水平、阻尼比為5%的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜對(duì)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(jì)算，若支座水平承載力不滿(mǎn)足要求，再采用設(shè)計(jì)反應(yīng)譜生成的人工時(shí)程波進(jìn)行非線性時(shí)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(jì)反應(yīng)譜生成的人工時(shí)程波進(jìn)行非線性時(shí)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(jiàn)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(guò)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(guò)支座橫向水平限位力，支座橫向被剪斷。因此可判定，計(jì)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(shí)程分析。

3.2.2 非線性時(shí)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(shí)程分析計(jì)算，對(duì)支座位移、立柱及樁基承載力進(jìn)行驗(yàn)算。見(jiàn)圖8-圖11。

圖8 支座位移驗(yàn)算

圖9 立柱控制截面承載力驗(yàn)算（縱向）

圖10 立柱控制截面承載力驗(yàn)算（橫向）

圖11 樁基控制截面承載力驗(yàn)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(jì)容許位移之內(nèi)，滿(mǎn)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(shí)，限位裝置也將發(fā)揮協(xié)同作用，主梁基本不會(huì)產(chǎn)生落梁風(fēng)險(xiǎn)，因此可以認(rèn)為滿(mǎn)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(qiáng)度，均在彈性工作范圍。而P7 墩彎矩略微超過(guò)初次屈服強(qiáng)度，小于等效屈服強(qiáng)度，此時(shí)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(mǎn)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(qiáng)度，樁基構(gòu)件受力均在彈性受力范圍，滿(mǎn)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(huì)出現(xiàn)拉力，但拉力不大，彎矩均小于等效屈服強(qiáng)度，樁基構(gòu)件受力均在彈性受力范圍，滿(mǎn)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(wú)法滿(mǎn)足規(guī)范要求。采用減隔震設(shè)計(jì)后，E1地震作用下，支座剪力銷(xiāo)就會(huì)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(huì)發(fā)生破壞，滿(mǎn)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(mǎn)足容許值要求；墩柱，基礎(chǔ)等處于彈性狀態(tài)基本無(wú)損傷，滿(mǎn)足該水準(zhǔn)下的抗震性能目標(biāo)要求。

本工程通過(guò)減隔震設(shè)計(jì)，橋梁結(jié)構(gòu)可以滿(mǎn)足相關(guān)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求，進(jìn)一步說(shuō)明在濱海、軟弱土場(chǎng)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(lèi)橋梁的設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。□■