伊朗德黑蘭BR-06L/R特大橋方案設(shè)計和抗震計算

張海英，褚 彤

河南緯澤工程咨詢有限公司，河南鄭州 450016

伊朗德黑蘭BR-06L/R特大橋方案設(shè)計和抗震計算

張海英，褚 彤

河南緯澤工程咨詢有限公司，河南鄭州 450016

本文主要以伊朗德黑蘭北部高速公路BR-06L/R特大橋工程為研究案例，介紹了工程橋梁布孔原則、橋型方案比選及抗震分析。

橋型方案；橋型構(gòu)造；抗震分析

伊朗德黑蘭北部高速公路BR-06（L/R）特大橋位于伊朗德黑蘭北部山區(qū)，橋位處地勢陡峭，地面高度變化劇烈，由于本橋位于9度地震區(qū)，橋梁抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)高，橋型方案的選擇主要由抗震能力決定。本工程設(shè)計荷載采用伊朗橋梁設(shè)計荷載規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)；橋?qū)挒?m×13.10m；抗震設(shè)計采用伊朗抗震規(guī)范。采用的主要規(guī)范有：伊朗《139公路橋荷載規(guī)范》、《伊朗公路、鐵路橋梁抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》及《美國公路橋梁設(shè)計規(guī)范》 （AASHTO），并參考中國交通部頒布有關(guān)公路橋梁設(shè)計與施工規(guī)范。

1 橋型設(shè)計方案及構(gòu)造

橋梁設(shè)計橋型方案上考慮了3種方案，現(xiàn)澆剛構(gòu)、現(xiàn)澆連續(xù)梁以及連續(xù)梁+剛構(gòu)組合結(jié)構(gòu)。由于本橋位于9度地震區(qū)，橋型方案的選擇主要由抗震能力決定，設(shè)計中分別對以上3種方案進(jìn)行地震動力分析，擇優(yōu)選擇最佳方案作為施工圖變更設(shè)計方案。

1.1 方案一：83m+150m+83m連續(xù)剛構(gòu)

上部箱梁為單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，三向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。箱梁頂面橫坡與路線橫坡一致，箱梁底面水平。箱梁頂寬13.1m，底寬6.5m，頂板厚0.28m，懸臂長3.25m。合攏段處箱梁中心高度為3.0m，底板厚0.28m；0號塊處箱梁中心高為8.5m，底板厚0.9m；腹板厚0.5m～0.7m。

下部橋墩采用空心薄壁墩，墩身與上部箱梁固結(jié)。由于1#、2#橋墩高差較大（1#橋墩墩高32m，2#橋墩墩高64m），為使兩橋墩墩頂處剛度接近，根據(jù)橋墩高度，1#橋墩縱橋向?qū)?m，壁厚0.70m；2#橋墩縱橋向?qū)?.0m，壁厚0.90m；兩橋墩橫橋向?qū)挾染鶠?.0m。1#橋墩采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，基底置于完整基巖上；2#橋墩采用8根直徑2.2m的群樁基礎(chǔ)，按嵌巖樁設(shè)計。由于該橋橋位處地震烈度較高，經(jīng)計算分析表明，在兩橋臺處設(shè)置粘滯性阻尼器可顯著降低地震作用，提高結(jié)構(gòu)抗震性能，故本次設(shè)計中參照原施工圖設(shè)計，單幅橋每個橋臺處需安裝 4 個阻尼器，即全橋共計采用 4×4=16 個阻尼器。阻尼器產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)建議采用 C=3000,ξ=0.3，每只阻尼器的設(shè)計最大阻尼力±2500kN。主梁及橋臺的構(gòu)造尺寸按照 KZ-2500S×650X 型阻尼器預(yù)留。在橋臺上設(shè)置 2個單向活動支座（豎向承載力為 4000kN，縱向活動）。

1.2 方案二：83m+150m+83m連續(xù)梁

上部箱梁構(gòu)造與連續(xù)剛構(gòu)方案（方案一）基本相同。下部橋墩采用空心薄壁墩，壁厚0.7～1.0m。橫橋向墩身等寬寬9.00m，縱橋向為變寬，墩頂寬5.0m，向下按50：1放坡。1#橋墩采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，基底置于完整基巖上，2#橋墩采用8根直徑2.2m的群樁基礎(chǔ)，按嵌巖樁設(shè)計。由于該橋橋位處地震烈度較高，經(jīng)計算分析表明，在兩橋臺處設(shè)置粘滯性阻尼器可顯著降低地震作用，提高結(jié)構(gòu)抗震性能，故本次設(shè)計中參照原施工圖設(shè)計，單幅橋每個橋臺處需安裝4個阻尼器，即全橋共計采用 4×4=16 個阻尼器。阻尼器產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)建議采用 C=3000, ξ=0.3，每只阻尼器的設(shè)計最大阻尼力±2500kN。主梁及橋臺的構(gòu)造尺寸按照 KZ-2500Sx650X 型阻尼器預(yù)留。在橋墩及橋臺上設(shè)置抗震型雙曲面球形支座。

1.3 方案三：83+150+83m連續(xù)+剛構(gòu)組合結(jié)構(gòu)

方案三是方案一與方案二的綜合方案。上部箱梁構(gòu)造同方案一。由于1#橋墩墩高較小，2#橋墩墩高大，1#橋墩墩頂設(shè)置支座，2#橋采用墩梁固結(jié)方式。兩者均采用空心薄壁墩，1#橋墩采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，基底置于完整基巖上，2#橋墩采用8根直徑2.2m的群樁基礎(chǔ)，按嵌巖樁設(shè)計。

2 橋型方案抗震分析

此次方案設(shè)計中分別對前述三種橋型方案進(jìn)行了抗震分析計算。由于本項目位于9度地震區(qū)，橋抗震設(shè)防要求高，橋型方案是否可行主要受抗震分析結(jié)果控制。在滿足結(jié)構(gòu)抗震受力的前提下，選擇結(jié)構(gòu)安全、方便施工、節(jié)約投資的方案。

2.1 抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合橋位處地震基本烈度，考慮橋梁的結(jié)構(gòu)總要性系數(shù)，根據(jù)有關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，選擇合適的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)將直接關(guān)系到工程的投資；通過合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)，采取適當(dāng)?shù)臏p隔震措施，本橋的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為“對中、低級的地震（7度以下）做到?jīng)]有重大損失，在強(qiáng)震（9度以下）時不倒塌”。

2.2 抗震分析計算方法的選擇

抗震分析計算方法有單振型反應(yīng)譜法、多振型反應(yīng)譜法、功率譜法、時程分析法。本橋主跨150m，墩高32m～64m，抗震分析采用非線性時程分析法。

2.3 加速度時程的選擇

結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)與結(jié)構(gòu)的自震周期和地震時程輸入的頻譜成分關(guān)系密切，加速度時程的選擇直接關(guān)系到抗震設(shè)計的合理性和可靠性。BR06特大橋位于9度地震區(qū)，根據(jù)《伊朗公路、鐵路橋梁抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》其設(shè)計地震波加速度動峰值為0.35g；參照美國規(guī)范及中國規(guī)范，9度地震區(qū)設(shè)計地震波加速度動峰值為0.40g。故此次抗震分析計算中選用了7條人工合成地震波，其地震動加速度峰值均在0.40g附近，將這7條地震波作為BR06特大橋的設(shè)計加速度時程，簡稱設(shè)計地震波。時程分析結(jié)果取7組地震波包絡(luò)值的平均值。在設(shè)計地震波作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生彈性變形，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的極限承載力驗算。

伊朗地震局提供三次實測強(qiáng)震記錄，其地震加速度動峰值橫波為0.48g～0.796g，縱波為0.505g～0.816g。其值均遠(yuǎn)大于9度地震區(qū)伊朗規(guī)范規(guī)定的0.35g和美國規(guī)范的0.40g。在如此強(qiáng)的的地震作用下仍建結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性設(shè)計是不合適的，故將伊朗提供的地震波作為結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計驗算，結(jié)構(gòu)在此情況下發(fā)生塑性變形，但不會完全破壞，經(jīng)過適當(dāng)維修后，結(jié)構(gòu)可投入正常使用。取地震局提供的3組地震波對結(jié)構(gòu)作用的最大值（包絡(luò)值）作為結(jié)構(gòu)塑性區(qū)轉(zhuǎn)動能力驗算。

伊朗地震局提供的實測強(qiáng)震記錄有3次記錄，分別為1977年記錄的1054-1縱向與橫向地震波；1978年記錄的1084-1縱向與橫向地震波和1990年記錄的1362-1縱向與橫向地震波。它們的加速度峰值見表1。

表1 地震波加速度峰值

從表中顯示的峰值加速度來看，都很高，大于9°～10°，而且縱向大于橫向。不同的地震波對結(jié)構(gòu)的作用，除了峰值加速度是一個很重要的因素以外，地震波的頻譜成分也十分重要，因此，在后面的計算分析中，對每一條地震波采用非線性時程分析法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的縱、橫向抗震性能分析。

2.4 結(jié)構(gòu)計算模型

抗震分析中分別對方案一（剛構(gòu)）、方案二（連續(xù)梁）、方案三（連續(xù)+剛構(gòu)）等3種橋型方案建立三維梁單元空間模型，利用空間有限元軟件MIDAS7.4進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力特性及抗震性能分析。為方便比較，3種橋型方案的結(jié)構(gòu)單元劃分基本一致，全橋上部結(jié)構(gòu)共劃分為98個單元，即1～98號單元為上部結(jié)構(gòu)單元，截面號為1～99；1#橋墩劃分為11個單元，分別為201～211號單元，截面號位201～212；2#橋墩共劃分為91個單元，分別為301～319號單元，截面號為301～319。詳見《結(jié)構(gòu)離散圖》。對于雙曲面球形減隔震支座的滯回耗能和自動恢復(fù)功能，活動支座的摩擦耗能以及固定銷剪斷后的效應(yīng)進(jìn)行了模擬，同時模擬了阻尼器的阻尼耗能作用。1#橋墩基礎(chǔ)位于新鮮基巖上，計算時考慮豎向位移及轉(zhuǎn)角均為0，X、Y方向的轉(zhuǎn)動考慮地基變形作用；2#橋墩采用5.結(jié)構(gòu)動力特性

BR-06（L/R）特大橋的設(shè)計思想為7度以下作用時，支座正常工作；7度以上（含7度）地震時固定裝置剪斷后，能快速恢復(fù)，經(jīng)過適當(dāng)維修，下次地震時，支座仍可安全、重復(fù)使用。經(jīng)驗算，在7度以下地震作用時，結(jié)構(gòu)均處于彈性工作狀態(tài)，下部結(jié)構(gòu)裂縫均小于0.2mm。當(dāng)?shù)卣鹱饔眠_(dá)到9度時，下部橋墩結(jié)構(gòu)裂縫大于0.2mm，但由于地震作用的短暫性，該裂縫在地震作用結(jié)束后可自行恢復(fù)。

2.5 結(jié)構(gòu)抗震分析

結(jié)構(gòu)抗震驗算分兩階段進(jìn)行，第一階段是對結(jié)構(gòu)進(jìn)行在設(shè)計地震波作用下的抗震驗算；當(dāng)結(jié)構(gòu)滿足在設(shè)計地震作用下的受力要求時再進(jìn)行第二階段的抗震驗算，即結(jié)構(gòu)在更強(qiáng)地震作用（伊朗地震局提供的地震波）下的結(jié)構(gòu)延性抗震驗算，否則不再進(jìn)行第二階段的驗算。通過分別對三種方案的抗震特性值、橋墩控制截面內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值（設(shè)計地震波）、截面順橋向荷載及荷載組合（設(shè)計地震波）、順橋向驗算結(jié)果、橫橋向驗算結(jié)果（設(shè)計地震波）、主要截面位移進(jìn)行抗震分析。由驗算結(jié)果知：第二種方案是可行的。即采用連續(xù)梁方案時，在設(shè)計地震作用下，1、2號橋墩墩頂、墩底截面順橋向極限承載力均能滿足規(guī)范要求；同樣在橫橋截面極限承載力也能滿足規(guī)范要求，墩頂、底處發(fā)生局部破壞，且修復(fù)后可正常使用。由于連續(xù)梁方案下部橋墩剛度小，地震等作用產(chǎn)生效應(yīng)也相對較小，下部橋墩截面尺寸有調(diào)整空間，故采用連續(xù)梁方案可行。

3 結(jié)論

BR-06L/R特大橋設(shè)計采用錯幅布置即滿足了被交道凈空要求，同時又有效地減少了開挖石方量；對于處于9度地震區(qū)的特大橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了延性設(shè)計驗算。

[1]姚玲森.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，1990.

[2]張士鐸.橋梁設(shè)計理論[M].北京：人民交通出版社，1983.

U44

A

1674-6708（2011）39-0155-02

張海英，工程師，研究方向：橋梁工程

褚彤，助理工程師，研究方向：橋梁工程