曾應(yīng)祝,陽(yáng) 瑞

（核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610000）

0 引言

該項(xiàng)目所在地為山溝峽谷地帶，從地形上看是非常適宜修建拱橋[1]，而拱橋由于其特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其通常設(shè)計(jì)在兩岸地質(zhì)條件較好的情況下，通過兩岸的基巖為拱腳提供水平推力，而該項(xiàng)目所在橋址區(qū)右岸為土質(zhì)邊坡，覆蓋層最大深度約為45 m，覆蓋層主要為碎石和塊石，其無法為拱橋提供足夠的推力，因此在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能地減小水平推力、增大邊坡抵抗水平推力的能力。而鋼桁架拱橋由于其自重輕，產(chǎn)生水平力小，跨越能力大，景觀效果好[2]，同時(shí)其結(jié)構(gòu)延性大，對(duì)于拱座變形適應(yīng)能力強(qiáng)，非常適宜該項(xiàng)目。

針對(duì)既有鋼桁架拱橋的研究主要有以下幾方面：李小珍[3]等研究了上承式鋼桁拱在多維地震作用下不同部位的損傷狀態(tài)，為鋼桁架拱橋的抗震構(gòu)件設(shè)計(jì)提供了一定的參考意義；張永亮等[4]對(duì)比研究了粘滯阻尼器、BRB防屈曲支撐、速度鎖定裝置三種不同減隔震措施對(duì)上承式拱橋的減震效果，并針對(duì)不同的減隔震措施提出了合理的設(shè)計(jì)建議。以上眾多研究均是在考慮拱座位置處的地質(zhì)條件較好的前提下，但對(duì)于一側(cè)拱座邊坡位于深覆蓋層的情形研究相對(duì)較少，該文結(jié)合該項(xiàng)目實(shí)際地質(zhì)，進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，并提出相應(yīng)的抗震措施。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

擬建大橋起點(diǎn)側(cè)邊坡主要以巖質(zhì)邊坡為主，坡頂表層有少量第四系殘坡積堆積物。巖質(zhì)邊坡坡體巖性主要為奧陶系下統(tǒng)湄潭組（O1m）的砂巖、寒武系上統(tǒng)二道水組（?3e）的白云巖，受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，故各結(jié)構(gòu)面相互組合切割，導(dǎo)致巖體被切割成不同大小的塊狀，極為破碎。

擬建大橋終點(diǎn)側(cè)邊坡主要為土質(zhì)邊坡。邊坡地層結(jié)構(gòu)主要由第四系殘坡積的碎石、塊石等組成。碎石母巖成分主要為白云巖、石灰?guī)r，呈強(qiáng)—中風(fēng)化，粒徑大于20 mm的顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量的55%~70%，一般粒徑約20~100 mm，大者可達(dá)200 mm，含有約10%左右的塊石，塊石粒徑一般為30~50 cm，個(gè)別大者可達(dá)1.5 m，充填物主要為灰黃色可塑狀粉質(zhì)黏土及角礫。邊坡坡腳位置出露有高約8~14 m的寒武系中統(tǒng)西王廟組（?2x）的紫紅色粉砂巖，巖體較破碎。在天然工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.413，地震工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.156，據(jù)此，可判定該邊坡在天然和地震工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

1.2 結(jié)構(gòu)總體布置

主橋采用主跨236.015 m（計(jì)算跨徑）上承式鋼桁架拱，主橋長(zhǎng)度252 m。全橋橋跨布置為（27+29）m現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁+252 m（主橋）+3×40 m先簡(jiǎn)支后橋面連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土（后張）預(yù)制T梁。拱肋采用平面等截面桁架式結(jié)構(gòu)，主桁上下弦桿組合截面中心線位置處計(jì)算跨徑236.015 m，計(jì)算矢高為47.138 m，矢跨比為1/5。拱桁弦桿中心線為懸鏈線線形，拱軸系數(shù)為1.5。桁架拱采用雙片主桁，主桁桁高為6.0 m，上、下游兩榀主桁平行布置，兩片主桁中心間距為10 m。主桁節(jié)間長(zhǎng)度采用6.0 m，總體布置圖如圖1所示。

圖1 橋梁總體布置圖

拱上立柱采用箱形鋼立柱，蓋梁采用箱形鋼制蓋梁。

2#拱座采用擴(kuò)大基礎(chǔ)形式，3#拱座基礎(chǔ)采用沉井+樁基礎(chǔ)的組合基礎(chǔ)形式。

主橋橋道系結(jié)合梁采用鋼梁高度1.6 m，預(yù)制板跨中厚度0.2 m，根部厚度0.3 m的形式。橫向采用四片鋼梁，預(yù)制板與鋼梁之間通過現(xiàn)澆C50鋼纖維混凝土及栓釘結(jié)合。

主橋采用全推力上承式無鉸拱，在分界墩及拱上立柱均采用HDR高阻尼隔震橡膠支座。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1）針對(duì)右岸基礎(chǔ)覆蓋層的情況，主拱采用鋼桁架拱，減輕拱圈自重并增大結(jié)構(gòu)剛度，從而減小橋梁結(jié)構(gòu)水平推力，同時(shí)，終點(diǎn)側(cè)拱座采用沉井+樁基礎(chǔ)的組合基礎(chǔ)。

（2）拱上立柱采用鋼結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)采用鋼混組合梁，減輕上部結(jié)構(gòu)自重并增加結(jié)構(gòu)延性。

（3）全橋均采用高阻尼支座。

1.4 抗震措施

該橋設(shè)置抗震措施如下：

（1）對(duì)現(xiàn)澆箱梁、預(yù)制T梁梁底設(shè)置橫向擋塊，并加大尺寸。

（2）加大墩頂平面寬度，防止落梁。

（3）設(shè)置上部結(jié)構(gòu)梁體縱向橡膠墊塊。

（4）橫橋向在梁底擋塊與墩身之間設(shè)置減震橡膠墊，以吸收地震水平力，降低地震力對(duì)擋塊的破壞。

（5）全橋采用高阻尼橡膠支座，減小地震破壞力。

（6）高度大于7 m的柱式墩設(shè)置橫系梁，并在系梁區(qū)域的墩柱箍筋加密。

（7）所有墩柱柱頂、柱腳箍筋加密，并增加主筋的錨固長(zhǎng)度。

（8）梁橋活動(dòng)支座采取限制其豎向位移的措施。

（9）在連續(xù)梁聯(lián)端及鋼－混結(jié)合梁聯(lián)端、預(yù)制簡(jiǎn)支T梁各跨的跨端設(shè)置縱向限位措施。

2 有限元模型及動(dòng)力特性

2.1 有限元模型

采用Midas Civil空間梁?jiǎn)卧?、板單元建立全橋空間有限元模型。主橋上部鋼板組合梁的縱、橫梁采用梁格模擬，橋面板采用板單元模擬，其余結(jié)構(gòu)均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。全橋共有節(jié)點(diǎn)3 293個(gè)，梁?jiǎn)卧? 957個(gè)，板單元336個(gè)。建模時(shí)考慮樁土效應(yīng)，各層土對(duì)樁基的作用采用“土彈簧”方式模擬，根據(jù)《抗震規(guī)范》鋼結(jié)構(gòu)拱橋阻尼比采用0.03。全橋有限元模型如圖2所示。

圖2 全橋有限元模型

Midas Civil軟件可提供的抗震分析方法有反應(yīng)譜法和非線性時(shí)程法。反應(yīng)譜法以靜力的方法求解，在彈性狀態(tài)下其能夠提供一定準(zhǔn)確度，但該項(xiàng)目設(shè)有高阻尼減隔震支座，需進(jìn)行非線性時(shí)程分析，同時(shí)，根據(jù)規(guī)范[5]拱橋?qū)儆诜且?guī)則橋梁，其對(duì)豎向地震作用較為敏感，抗震計(jì)算時(shí)需要考慮豎向地震作用。為精確考慮拱橋在地震作用下的三個(gè)方向耦合效應(yīng)，該次計(jì)算采用非線性時(shí)程分析計(jì)算方法[6]。

非線性時(shí)程計(jì)算所采用的人工地震波由《工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》提供。

2.2 邊界模擬

（1）0#、6#橋臺(tái)滑動(dòng)支座按照雙折線模型處理[5]。

（2）其余高阻尼橡膠支座按照雙線性模型處理[5]。

（3）2#拱座基礎(chǔ)置于中風(fēng)化白云巖之上，模型采用固結(jié)邊界。

（4）1#、3#、4#、5#墩臺(tái)均考慮樁－土約束。其中，3#拱座為沉井+樁基礎(chǔ)組合基礎(chǔ)，對(duì)基礎(chǔ)附近岸坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)橋梁基礎(chǔ)附近土體水平位移較大，且隨深度減小，影響范圍約20 m。因此，為偏于安全考慮，沉井深度23 m范圍內(nèi)的土體對(duì)基礎(chǔ)的約束均不計(jì)，從樁頂開始模擬土彈簧。

2.3 動(dòng)力特性

橋梁自振特性采用多重Ritz向量法，為確保在縱、橫、豎向有足夠振型的參與計(jì)算，從而確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，結(jié)構(gòu)在3個(gè)方向的振型參與質(zhì)量均應(yīng)不低于90%。

該橋第1階振型為主橋橫彎，第2階陣型為主橋縱漂，表明該橋縱、橫向剛度較小，該振型對(duì)縱向地震力貢獻(xiàn)較大；扭轉(zhuǎn)振型首次出現(xiàn)于第4階，振動(dòng)模態(tài)為拱、梁均出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，表明該橋整體扭轉(zhuǎn)剛度相對(duì)較弱。而出現(xiàn)該種情況的主要原因?yàn)橹髁何挥诠袄咭陨希髁涸诳v橫向整體處于單懸臂狀態(tài)，同時(shí)由于該橋的寬跨比較小，整體的橫向剛度較弱，因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)縱橫向剛度設(shè)計(jì)，拱上立柱在橫向采用交叉網(wǎng)格方式，拱上主梁采用橋面連續(xù)方式，使結(jié)構(gòu)在縱向整體性更強(qiáng)；主拱采用桁架式，豎向剛度大，主梁采用鋼混組合結(jié)構(gòu)，其豎向剛度相對(duì)于簡(jiǎn)支鋼箱梁有較大提高。

3 地震響應(yīng)分析

在地震及恒載組合工況下，取三條地震波的最大包絡(luò)值作為計(jì)算結(jié)果。

3.1 全橋內(nèi)力包絡(luò)圖

從圖3可以看出，在地震作用下拱上立柱彎矩相對(duì)較為均勻，交界墩墩底彎矩最大。

圖3 恒載+E2地震內(nèi)力包絡(luò)圖

3.2 全橋鋼構(gòu)件應(yīng)力

全橋拱結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力298 MPa，位于立柱柱底，低于Q345鋼的屈服應(yīng)力345 MPa，全橋鋼結(jié)構(gòu)均處于彈性范圍。

3.3 高阻尼支座滯回曲線

從圖4可以看出，在地震作用下高阻尼橡膠支座耗能充分，能夠有效地減小傳遞至立柱頂?shù)牡卣鹆?，同時(shí)支座的最大位移約為60 mm，可確保在地震作用下主梁的最大位移能夠得到有效控制。

圖4 地震作用下支座滯回曲線圖

4 結(jié)論

該文以某上承式鋼箱桁架拱橋?yàn)楸尘?，結(jié)合其特殊地形，針對(duì)性采用合理的減隔震措施及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力特性分析及非線性時(shí)程分析，得到以下結(jié)論：

（1）全橋鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為298 MPa，均處于彈性階段，地震作用下結(jié)構(gòu)安全。

（2）針對(duì)單側(cè)深覆蓋層、地震烈度高的地質(zhì)，采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及抗震措施是可以采用拱橋結(jié)構(gòu)形式的。