張 揚 朱勇戰(zhàn) 蘇國明

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司 北京 102600)

1 引言

近年來我國發(fā)生多起大地震，均給當?shù)亟煌ňW(wǎng)絡(luò)造成不同程度破壞，產(chǎn)生巨大經(jīng)濟損失，而橋梁工程又是交通網(wǎng)絡(luò)中的重要部分。綜合考慮鐵路橋梁工程的重要性及修復復雜的現(xiàn)狀，針對高烈度地區(qū)重要復雜橋梁，設(shè)計需要運用減隔震技術(shù)，以提高橋梁的抗震能力[1]。結(jié)合目前國內(nèi)大跨度梁拱組合結(jié)構(gòu)橋梁抗震設(shè)計、減隔震設(shè)計均無規(guī)范可循的現(xiàn)狀，對其進行抗震性能設(shè)計研究尤為重要。文章以徐宿淮鹽鐵路徐洪河特大橋(100+200+100)m連續(xù)梁-拱為研究對象，對其進行動力特性及減隔震設(shè)計的分析研究，為高烈度地區(qū)類似工程抗震設(shè)計提供參考[2-3]。

2 工程概況

徐宿淮鹽鐵路位于江蘇省北部，連接徐州、宿遷、淮安、鹽城四市，線路以橋梁形式通過郯廬斷裂影響帶，徐洪河特大橋位于該地震帶處，采用(100+200+100)m連續(xù)梁-拱一跨跨越徐沙河，立面布置見圖1。主梁采用單箱雙室、變高度、變截面預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)縱、橫、豎三向預應(yīng)力體系，邊跨和跨中直線段處梁高為6.0 m，中支點處梁高12.0 m。拱肋采用鋼管混凝土啞鈴型結(jié)構(gòu)，計算跨度L＝200 m，設(shè)計矢高40.0 m，矢跨比f/L＝1/5。全橋共設(shè)置20組雙吊桿，順橋向間距9.0 m。

圖1 徐洪河特大橋立面布置(單位：cm)

每個橋墩支點處設(shè)置兩個支座，邊支座噸位12 500 kN，中支座噸位140 000 kN。各墩均采用圓端形實體墩，主墩墩高9.0 m，順橋向?qū)?.6 m，橫橋向長19.4 m，交接墩墩高10.4 m，墩身順橋向?qū)?.5 m，橫橋向長15.0 m?；A(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，設(shè)計為摩擦樁。主墩采用30根2.0 m樁基礎(chǔ)，樁長為90 m；交接墩采用15根1.5 m樁基礎(chǔ)，樁長為59 m。該橋具有深基坑、超長群樁的特點。

橋址區(qū)地質(zhì)以粉質(zhì)黏土為主，不良地質(zhì)主要為飽和粉土、砂類土的地震液化，特殊巖土為軟土、松軟土，設(shè)計過程中必須考慮郯廬斷裂帶對橋梁工程的影響。根據(jù)徐宿淮鹽鐵路地震安評報告，橋位處場地50年超越概率63.2%(多遇地震)、50年超越概率10%(設(shè)計地震)、50年超越概率2%(罕遇地震)三種概率水準的地震動參數(shù)取值見表1。

表1 場地水平向設(shè)計地震動參數(shù)(阻尼比為0.05)

3 動力特性分析

采用大型計算分析軟件MIDAS Civil建立空間有限元模型，對全橋進行動力特性及抗震性能分析，全橋共計682個節(jié)點，622個單元。動力計算時時主梁、拱肋、墩柱、承臺均采用梁單元模擬，吊桿采用桁架單元模擬。計算將相鄰孔簡支梁的自重、二期恒載以及活載轉(zhuǎn)化為集中質(zhì)量，施加于相應(yīng)位置，并將相鄰孔簡支梁跨在連續(xù)梁拱側(cè)縱向全部設(shè)為活動支座。在模擬樁-土作用中，將樁基礎(chǔ)視為彈性支承，在墩底作用六個方向的彈簧等代群樁作用，六個彈簧剛度分別是三方向的抗推剛度，繞豎軸的抗扭剛度和繞兩個水平軸的抗彎剛度，彈簧剛度數(shù)值根據(jù)“m”法確定[4-6]。計算模型見圖2。

圖2 主橋空間計算模型

橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性是進行其它一切動力分析的基礎(chǔ)，其性能取決于橋跨結(jié)構(gòu)的組成體系、各構(gòu)件剛度、質(zhì)量分布以及支承條件等因素。分析結(jié)構(gòu)的自振特性是為了預計結(jié)構(gòu)自振頻率和估算結(jié)構(gòu)對預期激振的響應(yīng)，不致產(chǎn)生共振。主橋成橋狀態(tài)前六階的動力特性見表2，振型圖見圖3。

表2 成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)動力特性

圖3 成橋前六階振型圖

本橋前兩階振型均為拱肋橫彎，說明本橋橫向剛度較小，是地震分析中重要關(guān)注點。橋梁基頻為0.361 Hz，屬于柔性拱橋頻率范圍，這與本結(jié)構(gòu)強梁弱拱的設(shè)計特性一致。主梁在第3階振型出現(xiàn)縱飄，面外振型出現(xiàn)在面內(nèi)振型之前，說明本橋面外剛度小于面內(nèi)剛度。同時由于縱飄的出現(xiàn)，將產(chǎn)生很大的縱向水平力，而連續(xù)梁橋的水平力由制動墩承擔，所以在抗震設(shè)計時制動墩的設(shè)計應(yīng)該做設(shè)計的重點加強部位。拱肋在前6階振型中均為面外振型，可見拱肋的縱向剛度比橫向剛度偏大[7]。

4 抗震性能分析

4.1 抗震設(shè)防目標及地震波的選擇

依據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50111-2006)，考慮本橋重要性，在罕遇地震作用下需保持橋梁結(jié)構(gòu)的基本通行功能，并滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防目標，本橋的抗震設(shè)防標準按表3取用[8-9]。

表3 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防目標

在結(jié)構(gòu)具體計算時取用原則為[10]:

(1)按多遇地震50年超越概率63.2%的地震動參數(shù)檢算結(jié)構(gòu)物的強度，并考慮重要性系數(shù)1.5(水平地震動峰值加速度Amax＝0.096g)。

(2)按照設(shè)計地震50年超越概率10%的地震動參數(shù)驗算上、下部結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造的位移(水平地震動峰值加速度Amax＝0.340g)。

(3)按罕遇地震50年超越概率2%的地震動參數(shù)對橋墩基礎(chǔ)進行強度驗算，按極限強度進行控制設(shè)計(水平地震動峰值加速度Amax＝0.580g)。

多遇地震作用下采用反應(yīng)譜法計算結(jié)構(gòu)響應(yīng)，設(shè)計地震動加速度反應(yīng)譜計算公式取為:

式中，Amax為設(shè)計地震動峰值加速度；β(T)為設(shè)計地震動加速度放大系數(shù)反應(yīng)譜；T為反應(yīng)譜周期；βm為放大系數(shù)反應(yīng)譜最大值；T1為第一拐點周期；Tg為反應(yīng)譜特征周期。式中各參數(shù)的取值按表1取值。

時程分析采用地震安評報告給出的場地設(shè)計加速度時程曲線，計算時采用各設(shè)防水準的三組時程曲線取其結(jié)果的平均值。不同水準情況下時程曲線如圖4～圖6所示。

圖4 多遇地震作用下時程曲線

圖5 設(shè)計地震作用下時程曲線

圖6 罕遇地震作用下時程曲線

4.2 抗震體系比選

連續(xù)梁在縱向地震作用下存在固定墩受力過大問題，高烈度地區(qū)強制要求大跨度結(jié)構(gòu)橋墩及其基礎(chǔ)滿足強度要求是不經(jīng)濟的，大跨度橋梁采用延性抗震設(shè)計發(fā)生的損傷又修復比較困難，而通常使用常規(guī)支座無法滿足抗震設(shè)防要求，采用減隔震設(shè)計可有效提供結(jié)構(gòu)優(yōu)化空間。

目前橋梁工程中常使用的減隔震技術(shù)主要分為兩類:一是采用減隔震支座延長結(jié)構(gòu)周期，從而減小地震反應(yīng)；二是采用阻尼器增加結(jié)構(gòu)的阻尼來耗散能量，以減小結(jié)構(gòu)的位移并提高橋墩的抗震性能。結(jié)合鐵路橋梁的設(shè)計特點，本橋考慮采用雙曲面球型減隔震支座和液體粘滯阻尼器兩種減隔震措施進行比選。

雙曲面球型減隔震支座在地震不發(fā)生的情況下，其功能與普通球型支座相同，可滿足橋梁的正常運行時的位移及承載功能需求。當?shù)卣鸢l(fā)生后，其限位裝置剪斷，限位方向約束解除，發(fā)生滑動，起到減隔震作用[11]。這類支座通過增設(shè)平面摩擦副，使其在正常使用時不發(fā)生梁體抬高，地震時具備減隔震功能，同時地震后又具備自復位能力。雙曲面球型減隔震支座具有完備的減隔震功能、優(yōu)異的抗震性能、良好的耐久性能，已用于成蘭鐵路、寶蘭鐵路等多個鐵路項目中。

液體粘滯阻尼器其功能主要是為結(jié)構(gòu)提供附加剛度和阻尼，減小結(jié)構(gòu)響應(yīng)，產(chǎn)生的阻尼力與速度和溫度有關(guān)，安裝設(shè)置具有方向性，制作加工精度要求高。但其缺少自復位功能，要配合普通大噸位支座使用。液體粘滯阻尼器技術(shù)發(fā)展已較為成熟，滿足工程需要的各種不同參數(shù)的阻尼器在國內(nèi)外的重點橋梁工程中發(fā)揮著重要作用，如烏錫黃河鐵路大橋、舟山西喉門大橋等工程[12]。

徐洪河特大橋(100+200+100)m連續(xù)梁-拱時程分析時雙曲面球型減隔震支座通過采用摩擦擺單元模擬，計算時考慮地震作用下活動支座滑動摩擦效應(yīng)和雙曲面減隔震支座的非線性；粘滯阻尼器采用Midas有限元自帶的阻尼器單元進行模擬。兩者計算參數(shù)見表4。

表4 減隔震支座及阻尼器參數(shù)

針對本橋的減隔震措施比選制定了兩種方案:(1)設(shè)置雙曲面球型減隔震支座；(2)同時設(shè)置雙曲面球型減隔震支座與設(shè)置粘滯阻尼器。采用上述兩種方案分別對本橋進行抗震分析，兩方案縱向和橫向地震力作用下內(nèi)力響應(yīng)結(jié)果見表5和表6。

表5 罕遇地震作用下(縱向力)墩底內(nèi)力響應(yīng)對比

表6 罕遇地震作用下(橫向力)墩底內(nèi)力響應(yīng)對比

由以上分析可見，罕遇地震作用下，采用雙曲面減隔震支座減隔震效果顯著，固定墩剪力減隔震率達72.0%～85.4%，彎矩減隔震率達88.9%～91.1%，采用減隔震支座明顯減小了固定墩縱橋向和各墩橫橋向地震內(nèi)力響應(yīng)，為橋墩和基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計提供了有利條件。但同時使用減隔震支座和粘滯阻尼器，與單獨使用減隔震支座方案相比，不論彎矩還是剪力的減震率并未有效改善。

表7提供了兩種減隔震方案在罕遇地震作用下支座位移量，設(shè)置阻尼器后支座位移量可以有效控制，但大跨度橋梁采用的阻尼器噸位過大，對阻尼器本身的安全性、可靠性提出更高的要求，并增加后期維修養(yǎng)護工作量及成本。結(jié)合本橋抗震設(shè)防標準——設(shè)計地震下檢算支座連接方式，本橋最終選擇的減震措施為采用雙曲面減隔震支座方案。需要注意的是采用雙曲面減隔震支座后，地震力作用下支座滑動位移會變大，設(shè)計同時設(shè)置了緩沖彈塑性擋塊等抗震構(gòu)造措施來防止碰撞破壞、落梁等地震災(zāi)害的發(fā)生[13]。

表7 罕遇地震作用下支座位移對比 mm

4.3 各水準下地震響應(yīng)分析

按照本橋設(shè)定的抗震設(shè)防目標，以多遇地震下彈性設(shè)計，罕遇地震下的基本彈性設(shè)計為原則，對橋梁進行各水準作用下的地震響應(yīng)分析。

多遇地震作用下水平極限承載力的取值與橋梁的抗震設(shè)計水準相關(guān)，綜合考慮基礎(chǔ)的設(shè)計經(jīng)濟指標，兼顧雙曲面減隔震支座剪力梢的更換頻率，以及后期維修養(yǎng)護成本，設(shè)計采用水平極限承載力0.7倍的多遇地震力，并考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.5。對多遇地震作用下分別采用反應(yīng)譜法和時程分析法兩種計算方法分別計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)，內(nèi)力對比見表8。

表8 多遇地震作用下墩底內(nèi)力

可見，時程分析與反應(yīng)譜法的結(jié)果差異并不大，差值基本合理，場地地震波取值合理，僅有個別部位差異較大，這是因為時程分析地震波的選取相對具有一定的隨機性。運用反應(yīng)譜分析法可以方便得出結(jié)構(gòu)彈性范圍內(nèi)的最大地震響應(yīng)值；時程法計算具有針對性，可根據(jù)具體場地條件更能真實地反映結(jié)構(gòu)實際受力狀態(tài)。因此，對大跨度連續(xù)梁-拱橋而言，多遇地震作用下的抗震分析可先通過反應(yīng)譜法進行估算，再采用時程法進行驗算。

按照上述內(nèi)力結(jié)果進行驗算，多遇地震作用下墩身最大鋼筋應(yīng)力為184.16 MPa，混凝土最大應(yīng)力為13.16 MPa；樁基礎(chǔ)鋼筋配筋率取為2.0%，樁基鋼筋最大應(yīng)力為-173.4 MPa，樁基混凝土最大應(yīng)力為12.4 MPa。結(jié)構(gòu)處于彈性階段，強度各項指標滿足設(shè)計要求。

設(shè)計地震作用下，對雙曲面球型減隔震支座進行位移量分析，各墩順橋向與橫橋向位移均不超過28 cm，滿足制定的設(shè)防標準位移量要求。

罕遇地震作用下各墩順橋向和橫橋向內(nèi)力見表9，罕遇地震作用下墩身鋼筋最大應(yīng)力380.02 MPa，混凝土最大應(yīng)力為11.23 MPa，樁基礎(chǔ)鋼筋配筋率為2.0%，樁基鋼筋最大應(yīng)力為-335.5 MPa，樁基混凝土最大應(yīng)力為19.8 MPa。強度各項指標滿足鋼筋及混凝土材料極限強度要求，符合本橋罕遇地震作用下抗震設(shè)防標準要求。

表9 罕遇地震作用下墩身內(nèi)力響應(yīng)

5 結(jié)束語

針對高烈度震區(qū)大跨連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)固定墩設(shè)計困難的問題，對徐洪河特大橋制定了合理可行的設(shè)防標準，并對橋梁進行了動力特性分析和減隔震技術(shù)方案比選。得出以下結(jié)論:

(1)徐洪河特大橋(100+200+100)m連續(xù)梁拱組合橋橫向剛度較小，屬于強梁弱拱結(jié)構(gòu)，主橋面外剛度小于面內(nèi)剛度，制動墩設(shè)計是橋梁設(shè)計的重難點。

(2)考慮結(jié)構(gòu)重要性并滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防目標，采用多遇地震下彈性設(shè)計，罕遇地震下基本彈性設(shè)計，設(shè)計地震保證結(jié)構(gòu)連接措施為結(jié)構(gòu)在三水準作用下的抗震設(shè)防目標。

(3)對采用雙曲面球型減隔震支座、液體粘滯阻尼器+雙曲面球型減隔震支座組合兩種減隔震方案進行對比分析可知，采用雙曲面減隔震支座減震優(yōu)勢明顯，阻尼器的設(shè)置可有效減小地震力作用下的梁體位移。綜合抗震設(shè)防標準及后期維修養(yǎng)護成本，最終采用設(shè)置雙曲面減隔震支座方案進行減震設(shè)計。