蔣娜芳，鄢宏慶

(廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510650)

1 工程概況

潮漳高速公路位于潮州市境內(nèi)，是打通廣東潮州和福建漳州的重要交通線路，全長(zhǎng)64.561km。韓江特大橋?yàn)槌闭母咚俟飞系闹攸c(diǎn)、難點(diǎn)工程。全橋長(zhǎng)1 276.4m，主橋長(zhǎng)470m，主橋跨徑布置為55m+4×90m+55m，為超長(zhǎng)多跨連續(xù)梁橋。

韓江特大橋設(shè)計(jì)采用的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為[1]：

(1)設(shè)計(jì)行車速度：100km/h。

(2)設(shè)計(jì)汽車荷載：公路—I級(jí)。

(3)溫度影響：最高溫度34℃，最低溫度0℃，線膨脹系數(shù)為1.0×10-5/℃。合攏溫度按20℃考慮。

(4)設(shè)計(jì)洪水頻率：1/300。

表1 韓江特大橋主橋設(shè)防水準(zhǔn)

(5)橋址地震動(dòng)峰值加速度：0.17g[2]。

(6)場(chǎng)地土類別：Ⅱ類場(chǎng)地。

2 主橋結(jié)構(gòu)體系選擇

韓江特大橋跨航道處主橋上部結(jié)構(gòu)為(55m+4×90m+55m)預(yù)應(yīng)力砼現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，跨越古巷側(cè)河堤，墩高除10#橋墩(堤外主墩)為17m外，其余主墩(11#、12#、13#、14#橋墩)均接近30m，墩高較高。多跨連續(xù)梁橋常見(jiàn)的體系方案為：多跨剛構(gòu)橋、多跨連續(xù)-剛構(gòu)橋和連續(xù)梁橋，本文對(duì)其進(jìn)行比選。

(1)主跨為連續(xù)梁的多跨剛構(gòu)橋和多跨連續(xù)-剛構(gòu)橋：多跨剛構(gòu)橋相比多跨連續(xù)梁，施工時(shí)無(wú)需結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換，后期運(yùn)營(yíng)也無(wú)需大噸位支座養(yǎng)護(hù)，經(jīng)濟(jì)性較好。但其剛度大，地震荷載作用下，主要靠增大橋墩和基礎(chǔ)的截面尺寸以及配筋量來(lái)滿足抗震設(shè)計(jì)的需要。

(2)連續(xù)梁橋：相比剛構(gòu)，施工復(fù)雜，后期養(yǎng)護(hù)成本較高。但在地震荷載作用下，可通過(guò)設(shè)置減隔震支座來(lái)滿足抗震設(shè)計(jì)的需要。

由于本橋墩高聯(lián)長(zhǎng)，采用多跨連續(xù)-剛構(gòu)體系是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首選，設(shè)計(jì)對(duì)多跨連續(xù)-剛構(gòu)橋體系(11#、12#、13#橋墩墩梁固結(jié)，其他橋墩采用支座)進(jìn)行了罕遇地震響應(yīng)分析。

橋梁抗震計(jì)算分析采用midas civil2015有限元程序。在E2地震荷載作用下橋墩墩底地震內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2(軸力受拉為正)，樁基地震內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3(軸力受拉為正)。

表2 橋墩控制截面內(nèi)力

表3 樁基控制截面內(nèi)力

由表2計(jì)算結(jié)果可知，地震力在墩底產(chǎn)生了強(qiáng)大的地震內(nèi)力。E2地震荷載作用下，經(jīng)計(jì)算，在常規(guī)范圍內(nèi)加大橋墩截面尺寸或增大配筋橋墩都將進(jìn)入塑性。由表3計(jì)算結(jié)果可知，地震力在樁基產(chǎn)生了強(qiáng)大的拉力和彎矩，單純靠增大樁基尺寸或截面配筋既不經(jīng)濟(jì)又不美觀，無(wú)法實(shí)現(xiàn)既定的抗震性能目標(biāo)。

綜上分析，由于本橋地震烈度較高，且場(chǎng)地條件較差，地震力較大，連續(xù)剛構(gòu)體系下部結(jié)構(gòu)受力較大，連續(xù)剛構(gòu)體系已經(jīng)不能滿足E2地震作用下樁基礎(chǔ)保持彈性的抗震性能目標(biāo)。為減小地震力，滿足結(jié)構(gòu)抗震性能的目標(biāo)需求，設(shè)計(jì)最終采用了可以適應(yīng)減隔震裝置的連續(xù)梁橋方案。

3 減隔震支座選擇

通常在連續(xù)梁橋梁使用的減隔震支座有三種：鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座、雙曲面球型減隔震支座。三種支座中，雙曲面球型減隔震支座適應(yīng)大噸位能力最強(qiáng), 具有承載力大、耐久性好, 并能夠提供可靠的自恢復(fù)能力的優(yōu)點(diǎn)[4]。韓江特大橋主墩支座豎向承載力要求達(dá)22 500kN,超過(guò)了高阻尼橡膠支座和鉛芯橡膠支座最大的承載能力，且考慮支座耐久性，設(shè)計(jì)最終采用了大噸位的雙曲面球型減隔震支座。

圖1 韓江特大橋主橋立面布置

圖2 韓江特大橋抗震計(jì)算模型

4 雙曲面球型支座簡(jiǎn)介

雙曲面球型減隔震支座是將摩擦擺支座的工作原理成功運(yùn)用到常用的球型支座上的一種減隔震支座[5](圖3)。

圖3 雙曲面球型減隔震支座

4.1 正常工作狀態(tài)及多遇地震狀態(tài)下工作原理

橋梁在正常使用狀態(tài)及多遇地震狀態(tài)下，支座的限位裝置處于正常限位狀態(tài)，支座通過(guò)球面不銹鋼滑板與四氟滑板形成摩擦副，實(shí)現(xiàn)梁體的轉(zhuǎn)動(dòng)位移和水平位移需求[6]。在正常使用狀態(tài)下，水平荷載由限位裝置傳遞，豎向力由球體之間的摩擦副傳遞。

4.2 減隔震狀態(tài)工作原理

當(dāng)罕遇地震發(fā)生時(shí)，地震水平力如果超過(guò)抗剪銷和安全螺栓的設(shè)計(jì)值，支座的限位裝置將被剪斷。支座的橫向限位裝置失效后，支座可以往復(fù)滑動(dòng)，從而消耗地震能量，并使結(jié)構(gòu)的自振周期延長(zhǎng)，從而達(dá)到了減小地震力的目的。震后，在自重的作用下，支座復(fù)位[6]。支座滯回曲線如圖4所示。

圖4 雙曲面球型減隔震支座滯回曲線

5 減隔震效果分析

5.1 支座參數(shù)確定

雙曲面球型減隔震支座設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括：

(1)支座等效曲率半徑：用于抗震計(jì)算參數(shù)設(shè)置，曲線半徑越大，支座屈服后剛度越小，等效阻尼比越大。

(2)支座震后位移：指支座在地震情況下的位移最大振幅。

(3)支座摩擦系數(shù)：反映支座耗能能力，一般取0.02～0.03。

雙曲面球型減隔震支座設(shè)計(jì)的過(guò)程就是確定合適的支座參數(shù)，得到較優(yōu)的地震內(nèi)力和位移響應(yīng)。本橋根據(jù)非線性時(shí)程分析確定的支座參數(shù)見(jiàn)表4。其中9#、15#過(guò)渡墩采用KZQZ4000ZX縱向活動(dòng)支座；10#、14#邊墩采用KZQZ20000ZX縱向活動(dòng)支座；11#、12#、13#橋墩采用KZQZ20000GD固定支座。

表4 支座參數(shù)

5.2 減隔震效果

在地震作用下，雙曲面球型支座耗散地震能量，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期，實(shí)現(xiàn)了減隔震的功能要求。由于采用雙曲面球型支座，橋墩墩底的彎矩大大減小，11#橋墩減小了68%，12#橋墩減小了56%,13#橋墩減小了77%；對(duì)于樁基礎(chǔ)內(nèi)力，樁基礎(chǔ)的拉力大大減小，彎矩也減小約60%，最終主墩采用了四根φ2.2m的樁基礎(chǔ)，樁基配筋率為1.39%。

雙曲面球型支座對(duì)地震內(nèi)力的減震效果明顯，支座增大了結(jié)果等效阻尼比，有耗散地震能量的作用，但是結(jié)構(gòu)剛度的降低會(huì)造成結(jié)構(gòu)地震位移的增大。經(jīng)參數(shù)分析比選，支座的震后位移取350mm為結(jié)構(gòu)可接受范圍，也可取得較好的減震率。

表5 橋墩控制截面內(nèi)力(采用減隔震支座)

表6 樁基控制截面內(nèi)力(采用減隔震支座)

6 速度鎖定支座的應(yīng)用

速度鎖定支座是由速度鎖定器與活動(dòng)型橋梁支座，如球型鋼支座、盆式支座等組合而成，既能適應(yīng)活動(dòng)型支座的功能需求，又能發(fā)揮速度鎖定器的分擔(dān)地震力及限位作用，屬于國(guó)內(nèi)新型的抗震支座[7]。

本橋的14#橋墩較高，由于韓江特大橋聯(lián)長(zhǎng)較長(zhǎng)，考慮溫度的影響，僅在中間三個(gè)主墩設(shè)置了固定型雙曲面球型支座，在邊墩設(shè)置了活動(dòng)型雙曲面球型支座。在地震荷載作用下，邊墩縱橋向不能分擔(dān)地震力，為提高橋梁的抗震能力，在14#橋墩設(shè)置了速度鎖定器。在罕遇地震作用下，速度鎖定器自動(dòng)水平鎖定，能發(fā)揮固定支座功能，從而與其他固定支座一起抵抗水平力，提高了橋梁結(jié)構(gòu)的整體抗震能力。這種支座既能適應(yīng)橋梁靜力位移，又能夠抵抗地震水平力。

圖5 速度鎖定器結(jié)構(gòu)

本橋設(shè)計(jì)時(shí)將速度鎖定器作為一種安全儲(chǔ)備，固定支座的主墩受力按速度鎖定支座為活動(dòng)支座考慮，從而提高了結(jié)構(gòu)的抗震能力，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)在地震荷載下的安全性。

7 結(jié)語(yǔ)

潮漳高速公路韓江特大橋位于深水區(qū)，其規(guī)模大、地質(zhì)條件復(fù)雜、地震烈度較高、場(chǎng)地條件較差。在設(shè)計(jì)過(guò)程中綜合結(jié)構(gòu)的受力安全、地質(zhì)條件、工期、造價(jià)等因素，通過(guò)多方案比較及設(shè)計(jì)優(yōu)化，選擇了主墩采用雙曲面球型減隔震支座、邊墩采用速度鎖定支座的連續(xù)梁體系。計(jì)算表明，該設(shè)計(jì)方案減隔震效果明顯，并且能夠有效地防止落梁，較好地實(shí)現(xiàn)了抗震設(shè)計(jì)的目標(biāo)。