混凝土連續(xù)梁橋抗震設(shè)計(jì)探究

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摘要:為解決高烈度區(qū)多跨長聯(lián)混凝土連續(xù)梁橋抗震設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)問題，以中蘭客專靖遠(yuǎn)黃河特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，研究該橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動力特性、抗震技術(shù)方案等重難點(diǎn)問題。結(jié)果表明:靖遠(yuǎn)黃河橋主橋采用主跨128m多跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋跨越黃河，可有效解決黃河主河道防洪、通航及河床演變規(guī)律復(fù)雜等問題;通過對比分析基于強(qiáng)度的硬抗設(shè)計(jì)方案在和減隔震技術(shù)，靖遠(yuǎn)黃河橋采用雙曲面摩擦擺減隔震支座降低地震力，并結(jié)合粘滯阻尼器控制位移的減隔震措施，在有效優(yōu)化墩身及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尺寸的同時，降低地震作用下的橋梁破壞程度，提高結(jié)構(gòu)安全性。

關(guān)鍵詞:減隔震技術(shù)多跨連續(xù)梁動力特性抗震方案比選

1引言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋因其整體剛度大、伸縮縫少、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)低等優(yōu)勢，成為高速鐵路橋梁首選的結(jié)構(gòu)形式。高烈度地區(qū)多跨長聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)尚有多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)有待深入研究。文獻(xiàn)［1］闡述了29控制高速鐵路連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素;文獻(xiàn)［2－3］論述了多跨連續(xù)梁抗震及減隔震設(shè)計(jì)技術(shù);文獻(xiàn)［4－5］分析了我國鐵路連續(xù)梁橋延性設(shè)計(jì)方法。我國《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對中小跨徑梁式橋抗震設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，在多遇地震下進(jìn)行強(qiáng)度檢算，設(shè)防地震采用抗震構(gòu)造措施，罕遇地震作用下通過控制位移進(jìn)行延性設(shè)計(jì)。而對長聯(lián)多跨連續(xù)梁的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)及抗震設(shè)計(jì)方法等重難點(diǎn)問題闡述不全。高烈度區(qū)高速鐵路多跨長聯(lián)連續(xù)梁橋，如果僅通過提高強(qiáng)度進(jìn)而提高橋梁的抗震設(shè)防能力，不僅造成不必要的建設(shè)成本增加，且設(shè)計(jì)偏于不合理。本文以中衛(wèi)至蘭州客運(yùn)專線靖遠(yuǎn)黃河特大橋主橋多跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉ο?，對該橋的橋式布置、抗震及減隔震技術(shù)等設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行深入分析論述。

2工程概況

靖遠(yuǎn)黃河特大橋是中蘭客?？刂菩怨こ?，位于甘肅省靖遠(yuǎn)縣長尾灘，橋高41m，橋梁軸線的法線與黃河水流方向夾角為9°。橋位處河水較緩，水面寬約180m，通航等級為Ⅴ級。橋址區(qū)地貌屬黃河河谷地區(qū)，地形起伏較小，黃河從中流過，地層以細(xì)圓礫土、粗圓礫土、砂巖為主，巖體較完整。為滿足防洪和通航對跨越黃河的要求，最大化降低對河道行洪的影響，并綜合考慮黃河河床歷史演變規(guī)律復(fù)雜等因素，本橋兩個水中墩仍有撞船的風(fēng)險(xiǎn)，靖遠(yuǎn)黃河特大橋采用(70+104+128+104+70)m多跨連續(xù)梁跨越黃河主河道，采用(60+60)mT構(gòu)跨越黃河快速路，主橋立面布置見圖1。中蘭客專線路等級為雙線高速鐵路，線間距4．6m，采用有砟軌道，設(shè)計(jì)活載為ZK活載。靖遠(yuǎn)黃河特大橋跨越黃河河道的通航等級為Ⅴ級，航道立交要求凈寬80m、凈高8．0m。根據(jù)靖遠(yuǎn)黃河橋場地地震安全性評價(jià)結(jié)果，橋位處50年超越概率10%情況下(設(shè)計(jì)地震)最大地震動峰值加速度為0．34g，地震動反應(yīng)譜周期為0．55s。

3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

靖遠(yuǎn)黃河特大橋(70+104+128+104+70)m多跨連續(xù)梁主梁采用單箱單室、變高度、變截面預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。箱梁頂寬12．2m，底寬6．4m，采用直腹板形式。邊跨和跨中直線段梁高5．0m，中支點(diǎn)處梁高9．6m，次中支點(diǎn)梁高7．6m。主梁設(shè)計(jì)為縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系。主梁采用掛籃懸臂澆筑施工，在中支點(diǎn)及邊支點(diǎn)部分梁段采用支架現(xiàn)澆施工。主梁中支點(diǎn)斷面見圖2。本橋每個橋墩墩頂橫向設(shè)置2個支座，支座噸位分別為11000kN、40000kN和60000kN。邊墩支座橫向間距為4．8m，次中墩和中墩支座橫向間距均為5．5m。各墩均設(shè)計(jì)為圓端形空心墩，墩身內(nèi)外壁縱橫向設(shè)置放坡。主墩高32．0m，墩頂尺寸為(5．5×12．6)m(順橋向×橫橋向)，承臺尺寸(順橋向×橫橋向×厚度)為(15．0×18．2×4．5)m。基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，主墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為20根φ1．8m鉆孔灌注樁，次中墩設(shè)計(jì)為18根φ1．8m鉆孔灌注樁，交接墩設(shè)計(jì)12根φ1．5m鉆孔灌注樁。主墩基礎(chǔ)采用雙壁鋼圍堰施工。

4動力特性分析

采用大型計(jì)算分析軟件MIDASCivil建立空間有限元模型，對全橋進(jìn)行動力特性及抗震性能分析。全橋模型為1－32m簡支梁+(60+60)mT構(gòu)+(70+104+128+104+70)m連續(xù)梁+1－32m簡支梁，共計(jì)890個節(jié)點(diǎn)、530個單元。計(jì)算模型采用梁單元模擬主梁、墩柱及承臺，考慮樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式及樁周土層力學(xué)性質(zhì)對結(jié)構(gòu)剛度的影響，采用6個自由度的彈簧剛度矩陣模擬樁基與土的相互作用，彈簧剛度數(shù)值根據(jù)“m”法確定，空間計(jì)算模型見圖3。成橋狀態(tài)動力特性見表1和圖4，橋梁基頻為0．442Hz，最小自身頻率對應(yīng)模態(tài)為一階縱飄，表明在結(jié)構(gòu)各向剛度中，主梁縱向剛度最弱。

5抗震設(shè)計(jì)分析及方案比選

高烈度區(qū)高速鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括:抗震設(shè)防目標(biāo)確定、抗震計(jì)算參數(shù)選取以及合理抗震設(shè)計(jì)方案的制定［6］。

5．1抗震設(shè)防目標(biāo)確定

多跨長聯(lián)連續(xù)梁橋由于聯(lián)長、梁部質(zhì)量大而導(dǎo)致地震效應(yīng)明顯。鑒于靖遠(yuǎn)黃河橋在中蘭客專的重要性和搶修難度，大橋在罕遇地震作用下需要滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)，并保證震后基本通行功能。在結(jié)構(gòu)具體計(jì)算時取用原則為［7］:(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(qiáng)度，并考慮重要性系數(shù)

1．5(水平地震動峰值加速度Amax=0．114g)。(2)按照設(shè)計(jì)地震50年超越概率10%的地震動參數(shù)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施(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)驗(yàn)算上、下部結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造的位移，并按照極限強(qiáng)度控制橋墩及基礎(chǔ)強(qiáng)度設(shè)計(jì)(水平地震動峰值加速度Amax=0．650g)［8］。

5．2抗震設(shè)計(jì)參數(shù)選取

根據(jù)《新建中衛(wèi)至蘭州客運(yùn)專線工程場地地震安全性評價(jià)報(bào)告》，本橋橋位處場地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震動加速度反應(yīng)譜計(jì)算公式取為:式中:Amax為設(shè)計(jì)地震動峰值加速度;β(T)為設(shè)計(jì)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;T2為周期拐點(diǎn);Tg為反應(yīng)譜特征周期，式中各參數(shù)按表2取值。靖遠(yuǎn)黃河特大橋時程分析采用地震安評報(bào)告提供的罕遇地震加速度時程曲線，計(jì)算采用三組時程曲線，并取其結(jié)果的最大值，各組時程曲線見圖5。

5．3硬抗設(shè)計(jì)方案

鐵路橋梁合理抗震設(shè)計(jì)方案一般有兩種:一種是基于強(qiáng)度的硬抗抗震體系，另一種是基于延性的減隔震體系。不管采用哪種抗震設(shè)計(jì)方案，都需要具備兩個基本特征:一是傳力路徑不間斷，二是保持橋梁結(jié)構(gòu)整體性［9］。因此，結(jié)構(gòu)既要具備合理有效的抗震單元(如墩柱塑性鉸、減隔震裝置等)，又要有足夠的強(qiáng)度并采取有效的連接措施(如設(shè)置縱向限位器、橫向擋塊等)。對靖遠(yuǎn)黃河特大橋主橋進(jìn)行這兩種抗震設(shè)計(jì)思路的對比工作，以尋找本橋最合適的抗震設(shè)計(jì)方案?；趶?qiáng)度的抗震設(shè)計(jì)原則是全聯(lián)地震效應(yīng)均由固定墩承受，按照剛性抗震設(shè)計(jì)理念，則需要增大結(jié)構(gòu)尺寸、加強(qiáng)墩柱配筋等途徑來滿足抗震設(shè)防要求，不僅造成建設(shè)成本提高，且設(shè)計(jì)趨于不合理。本橋采用減隔震設(shè)計(jì)方案，利用減隔震支座及粘滯阻尼器共同減小地震力，并最大化控制地震力作用下梁體位移［10］。

5．4減隔震設(shè)計(jì)方案減隔震技術(shù)應(yīng)用在橋梁結(jié)構(gòu)中，可大大削弱地震力的作用，進(jìn)而減小下部結(jié)構(gòu)尺寸，降低造價(jià)。同時可有效減輕結(jié)構(gòu)遭遇強(qiáng)震時的破壞程度，顯著提高結(jié)構(gòu)安全性。橋梁減隔震措施主要有兩種:一是采用減隔震支座，增加結(jié)構(gòu)的延性，有利于耗散地震能量，以保證震后橋梁不會整體倒塌，修復(fù)相對容易;二是采用粘滯阻尼器，以控制梁體過大變形，從而減小結(jié)構(gòu)位移，降低結(jié)構(gòu)動力加速度［11］。結(jié)合鐵路橋梁的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，靖遠(yuǎn)黃河橋減隔震設(shè)計(jì)綜合設(shè)置了雙曲面摩擦擺減隔震支座和液體粘滯阻尼器。雙曲面摩擦擺減隔震支座在正常使用狀態(tài)(非地震時)，既能保證可靠傳遞結(jié)構(gòu)豎向和水平荷載，又能保證支座轉(zhuǎn)動和位移不受約束。在地震工況下，支座的限位裝置失效，限位方向發(fā)生滑動，結(jié)構(gòu)基本周期增大，從而減小地震力效應(yīng)。這類支座內(nèi)部設(shè)置球鉸，可實(shí)現(xiàn)多方向轉(zhuǎn)動，以提供結(jié)構(gòu)自復(fù)位能力，促使上部結(jié)構(gòu)回到初始狀態(tài)。液體粘滯阻尼器是一種速度耗能裝置，產(chǎn)生的阻尼力與速度和溫度有關(guān)。阻尼器不改變結(jié)構(gòu)自振周期，僅通過提供附加剛度和阻尼的方式，有效降低震后結(jié)構(gòu)位移量。阻尼器的安裝具有方向性，靖遠(yuǎn)黃河特大橋每墩設(shè)置2個150t阻尼器，與順橋向成45°設(shè)置。阻尼器的制作加工精度要求高，缺少自復(fù)位功能，一般需要配合支座使用［12］。對靖遠(yuǎn)黃河橋進(jìn)行罕遇地震作用下時程分析，雙曲面摩擦擺減隔震支座采用Midas有限元程序提供的摩擦擺單元模擬，計(jì)算時需要考慮地震力作用下的滑動摩擦效應(yīng)和非線性效應(yīng);粘滯阻尼器采用阻尼單元進(jìn)行模擬，兩者計(jì)算參數(shù)見表3。雙曲面摩擦擺支座設(shè)置剪切銷，剪切銷剪斷力按1．05倍多遇地震水平剪力控制。多遇地震作用下，抗剪銷未被剪壞，減隔震裝置未發(fā)揮作用;罕遇地震作用下，抗剪銷被剪斷破壞，支座沿球面發(fā)生擺動，減隔震系統(tǒng)發(fā)揮作用，地震力有效減小。圖6對比了罕遇地震作用下三種設(shè)計(jì)方案順橋向墩底內(nèi)力響應(yīng)。罕遇地震作用下，同時采用減隔震支座和阻尼器，交接墩剪力減隔震率為26.34%，固定墩剪力減隔震率達(dá)82．04%;交接墩彎矩減隔震率為36．06%，固定墩彎矩減隔震率達(dá)86．58%。采用減隔震方案設(shè)計(jì)明顯減小了固定墩地震內(nèi)力響應(yīng)，為橋墩和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化提供了有利條件。罕遇地震作用下，靖遠(yuǎn)黃河橋采用普通支座時，梁端縱向位移量為538mm;僅設(shè)置減隔震支座時，梁端位移量為219mm;同時設(shè)置減隔震支座與粘滯阻尼器時，罕遇地震作用下支座位移量僅為152mm。分析表明，同時設(shè)置減隔震支座與粘滯阻尼器，罕遇地震作用下梁端位移量可以得到有效控制。

6結(jié)束語

以中衛(wèi)至蘭州客運(yùn)專線靖遠(yuǎn)黃河特大橋主橋(70+104+128+104+70)m多跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，對大橋抗震及減隔震設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究比選，得出主要結(jié)論如下:(1)高烈度區(qū)多跨長聯(lián)連續(xù)梁橋，采用基于強(qiáng)度的硬抗設(shè)計(jì)方案，固定墩承受全聯(lián)梁部地震力，導(dǎo)致受力過大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏于不合理。(2)通過采用合理的減隔震技術(shù)，可以有效減輕橋梁結(jié)構(gòu)遭遇強(qiáng)震作用時的破壞程度，顯著提高結(jié)構(gòu)安全性。

作者:種博肖 單位:中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司