長(zhǎng)聯(lián)多跨剛構(gòu)-連續(xù)梁橋的抗震設(shè)計(jì)

劉 俊

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁設(shè)計(jì)院，北京 102600)

1 概述

近幾十年來(lái)，我國(guó)地震活動(dòng)較為頻繁，幾次強(qiáng)烈的地震造成了十分嚴(yán)重的破壞后果。作為生命線工程之一的橋梁工程是交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，是交通運(yùn)輸?shù)臉屑~工程，在抗震救災(zāi)中處于極其重要的地位。鑒于橋梁震害的嚴(yán)重性，我國(guó)的橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提出了越來(lái)越嚴(yán)格的要求，除了延用“強(qiáng)度設(shè)防”的概念外，在延性抗震設(shè)計(jì)和減隔震設(shè)計(jì)方面也提出了具體的要求。

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的不斷發(fā)展，長(zhǎng)聯(lián)多跨剛構(gòu)-連續(xù)梁橋得到了越來(lái)越多的應(yīng)用?，F(xiàn)行的《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50111—2006)并沒有對(duì)此類橋梁的抗震設(shè)計(jì)有明確的規(guī)定，因此，研究長(zhǎng)聯(lián)多跨剛構(gòu)-連續(xù)梁橋的抗震設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文以某鐵路橋主橋結(jié)構(gòu)為(48+4×80+48)m剛構(gòu)-連續(xù)梁為例來(lái)說(shuō)明長(zhǎng)聯(lián)多跨剛構(gòu)連-續(xù)梁橋抗震設(shè)計(jì)過(guò)程及特點(diǎn)。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)鐵路等級(jí):Ⅰ級(jí)。

(2)正線數(shù)目:單線。

(3)設(shè)計(jì)速度:客車160 km/h，貨車120 km/h。

(4)橋面寬度:擋砟墻內(nèi)側(cè)凈寬4.50 m，橋梁頂面總寬7.0 m。

(5)設(shè)計(jì)活載:中-活載。

(6)地震動(dòng)參數(shù):地震動(dòng)峰值加速度0.214g;抗震設(shè)防烈度為8度。

(7)施工方法:掛籃懸臂灌注施工。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主橋采用(48+4×80+48)m預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)-連續(xù)梁，中間橋墩與主梁固結(jié)，其余兩側(cè)橋墩均設(shè)置單向活動(dòng)支座。主橋全長(zhǎng)416.0 m，最大墩高12.5 m。主梁采用C50混凝土，墩身采用C45混凝土，承臺(tái)采用C40混凝土，樁基采用C35混凝土。全橋立面布置如圖1所示。

圖1 全橋立面布置(單位:cm)

主梁為單箱單室變高度箱梁，箱梁典型截面梁高:端支座處、邊跨直線段和中跨中處均為3.8 m，邊跨直線段長(zhǎng)9.65 m;中支點(diǎn)處梁高6.8 m，平段長(zhǎng)4.0 m;梁高按圓曲線變化，圓曲線半徑R=229.667 m。主梁橫向?yàn)閱蜗鋯问抑备拱褰孛?，全橋箱梁底板?.0 m，頂板寬7.0 m，頂板厚0.35 m，腹板厚0.4～0.8 m，底板厚由直線段的0.4 m變化至中支點(diǎn)梁根部的0.9 m;主梁典型橫斷面如圖2所示。

圖2 主梁橫斷面(單位:cm)

主墩采用3.6 m×7.0 m矩形截面單柱實(shí)心墩，除交接墩外其他活動(dòng)墩均采用4.0 m×7.0 m矩形截面單柱實(shí)心墩，交接墩采用3.5 m×7.0 m的圓端型截面;主墩基礎(chǔ)為18根φ1.5 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，采用行列式布置，橋墩編號(hào)從左至右為1號(hào)～7號(hào)墩，其中4號(hào)墩為剛構(gòu)墩，其他各墩均為活動(dòng)墩。各墩墩身、樁基配筋設(shè)計(jì)見表1。

表1 墩身、樁基配筋設(shè)計(jì)

懸臂施工澆筑梁段分成3.0、3.5 m和4.0 m，全橋共分95個(gè)梁段，最大懸臂澆筑塊重1 121 kN。0號(hào)段長(zhǎng)度采用10.0 m，合龍段長(zhǎng)2.0 m。

4 有限元模型

本文采用空間有限元方法建立了該橋的計(jì)算模型，如圖3所示。主梁、主墩均采用空間梁元模擬;主墩樁基周圍土的約束作用，根據(jù)文獻(xiàn)［1］可用承臺(tái)底6個(gè)自由度的彈簧剛度模擬樁土相互作用，彈簧剛度數(shù)值根據(jù)文獻(xiàn)［2］的“m”法確定，土的抗力取值比靜力大，一般取m動(dòng)=(2～3)m靜，計(jì)算得到各墩承臺(tái)底的剛度系數(shù)如表2所示;其中KX、KY、KZ分別表示沿縱橋向、橫橋向、豎向線剛度系數(shù)，KXX、KYY、KZZ分別表示沿縱橋向、橫橋向、豎向轉(zhuǎn)動(dòng)剛度系數(shù)，KXY、KYX分別表示水平線剛度與轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的相關(guān)系數(shù)，在模型中指定節(jié)點(diǎn)彈簧輸入各墩承臺(tái)底的剛度系數(shù)來(lái)模擬樁基礎(chǔ)的作用;支座作用通過(guò)在梁部與墩頂相應(yīng)節(jié)點(diǎn)建立連接單元來(lái)模擬，按實(shí)際支座布置方式建模，具體的支承連接條件如表3所示，“0”表示無(wú)約束，“1”表示有約束，“K”表示輸入剛度值。主梁與剛構(gòu)墩之間通過(guò)剛臂連接。

圖3 空間有限元模型

表2 樁基礎(chǔ)剛度矩陣

表3 成橋狀態(tài)的支承連接條件

5 地震動(dòng)輸入

5.1 水平加速度反應(yīng)譜

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2001)可知，該橋位于高震區(qū)。鑒于本橋結(jié)構(gòu)和場(chǎng)地的特殊性，委托相關(guān)地震研究中心對(duì)工程場(chǎng)地的地震安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。地震研究中心給出的地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告中提供了該橋基巖水平加速度反應(yīng)譜(阻尼比0.05)。其動(dòng)力放大系數(shù)

水平向設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)如表4所示，動(dòng)力放大系數(shù)如圖4所示。

表4 水平向設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)(ξ=0.05)

圖4 動(dòng)力放大系數(shù)β曲線

5.2 基巖人造地震動(dòng)時(shí)程

地震研究中心給出的地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告中提供了該橋50年63%、10%、2%3種不同超越概率水平下基巖處加速度時(shí)程曲線，對(duì)應(yīng)每種超越概率分別給出了3個(gè)樣本，如圖5所示(僅示第1個(gè)樣本)。

圖5 50年不同超越概率下水平向地震動(dòng)加速度時(shí)程

6 抗震設(shè)計(jì)

6.1 常規(guī)設(shè)計(jì)

在常規(guī)設(shè)計(jì)中，多跨剛構(gòu)連續(xù)梁橋除剛構(gòu)墩外其他活動(dòng)墩一般只設(shè)置縱向活動(dòng)支座，支座設(shè)置橫向約束，以保證結(jié)構(gòu)具有足夠的橫向剛度滿足正常使用的要求，各墩墩頂處的支座約束方式參見表3。常規(guī)設(shè)計(jì)下前6階自振頻率及振型特征描述見表5。

表5 常規(guī)設(shè)計(jì)前6階自振頻率及振型特征描述

由文獻(xiàn)［3］可知，該橋?qū)儆贐類橋梁，地震作用的重要性系數(shù)Ci為1.5;抗震驗(yàn)算應(yīng)計(jì)入豎向地震作用的影響，豎向地震基本加速度取水平地震基本加速度的0.65倍;應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)按多遇地震進(jìn)行橋墩、基礎(chǔ)的強(qiáng)度驗(yàn)算;按設(shè)計(jì)地震驗(yàn)算上、下部結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造的強(qiáng)度;按罕遇地震對(duì)橋墩進(jìn)行延性驗(yàn)算。

本文分別運(yùn)用反應(yīng)譜法、一致激勵(lì)動(dòng)態(tài)時(shí)程法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)分析，地震響應(yīng)結(jié)果取反應(yīng)譜、時(shí)程計(jì)算結(jié)果中較大值。其中，在多遇地震(50年－63%)作用下地震輸入采用2種方式:(1)水平縱向+豎向;(2)水平橫向+豎向，各墩墩底的內(nèi)力響應(yīng)見表6，在設(shè)計(jì)地震(50年－10%)作用下各橋墩縱向活動(dòng)支座的橫向剪力響應(yīng)見表7。

表6 多遇地震常規(guī)設(shè)計(jì)下各墩墩底的內(nèi)力響應(yīng)

由計(jì)算結(jié)果可知，常規(guī)設(shè)計(jì)多遇地震作用下，剛構(gòu)墩順橋向、橫橋向的地震響應(yīng)均明顯大于其他活動(dòng)墩，活動(dòng)墩對(duì)結(jié)構(gòu)抵抗順橋向地震作用的貢獻(xiàn)很小，各墩抗震設(shè)計(jì)的控制斷面均為墩底截面。由于橋址處地震動(dòng)峰值加速度較大，場(chǎng)地的特征周期較長(zhǎng)，橋梁結(jié)構(gòu)的聯(lián)長(zhǎng)較長(zhǎng)、橋墩較矮，所以剛構(gòu)墩的內(nèi)力響應(yīng)很大。在設(shè)計(jì)地震作用下，各活動(dòng)墩支座的橫向剪力響應(yīng)最大達(dá)到支座噸位的49.5%，普通的支座很難滿足抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)支座抗震驗(yàn)算的要求。

表7 設(shè)計(jì)地震常規(guī)設(shè)計(jì)下各支座的橫向剪力響應(yīng)

6.2 減隔震設(shè)計(jì)

對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)，通常采用在梁體與墩臺(tái)的連接處安裝減隔震支座、阻尼器，通過(guò)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的周期、增加結(jié)構(gòu)阻尼來(lái)有效地減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。該橋通過(guò)在各活動(dòng)墩設(shè)置雙曲面球型減隔震支座來(lái)減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，達(dá)到滿足抗震設(shè)計(jì)要求的目的。

雙曲面球型減隔震支座的抗震工作機(jī)理比較明確，其構(gòu)造如圖6所示，可以用等效線性化模型來(lái)模擬，其滯回曲線如圖7所示。該橋選用的雙曲面球型減隔震支座的各項(xiàng)參數(shù)如表8所示。

圖6 雙曲面球型減隔震支座構(gòu)造示意

圖7 雙曲面球型減隔震支座的滯回曲線

表8 雙曲面球型減隔震支座主要參數(shù)

在多遇地震下減隔震設(shè)計(jì)下各墩墩底的內(nèi)力響應(yīng) 見表9。

表9 多遇地震減隔震設(shè)計(jì)下墩底的內(nèi)力響應(yīng)

從計(jì)算結(jié)果可以看出，在多遇地震作用下，與常規(guī)設(shè)計(jì)相比，減隔震設(shè)計(jì)后該橋的地震響應(yīng)大幅減小，剛構(gòu)墩的內(nèi)力地震響應(yīng)減小超過(guò)50%。

7 抗震驗(yàn)算

7.1 多遇地震作用下橋墩、基礎(chǔ)的強(qiáng)度驗(yàn)算

由文獻(xiàn)［3］可知，應(yīng)按照以下4種工況:(1)順橋向無(wú)車，恒載+豎向地震力+順橋向地震力;(2)順橋向有車，恒載+靜活載+豎向地震力+順橋向地震力;(3)橫橋向無(wú)車，恒載+豎向地震力+橫橋向地震力;(4)橫橋向有車，恒載+靜活載+豎向地震力+橫橋向地震力(計(jì)50%的列車活載引起的地震力)對(duì)結(jié)構(gòu)按多遇地震進(jìn)行橋墩、基礎(chǔ)的強(qiáng)度驗(yàn)算。常規(guī)設(shè)計(jì)、減隔震設(shè)計(jì)在多遇地震作用下橋墩及樁基礎(chǔ)的檢算結(jié)果如表10～表12所示。

表10 多遇地震下橋墩強(qiáng)度檢算結(jié)果 MPa

表11 多遇地震下樁基礎(chǔ)強(qiáng)度檢算結(jié)果 MPa

從檢算結(jié)果可以看出，在多遇地震作用下，常規(guī)設(shè)計(jì)中3號(hào)～5號(hào)墩鋼筋的最小應(yīng)力超出規(guī)范要求，2號(hào)～5號(hào)墩的樁基最大豎向力超出了單樁允許承載力;減隔震設(shè)計(jì)后結(jié)構(gòu)的地震力大幅減小，橋墩、樁基礎(chǔ)的強(qiáng)度驗(yàn)算，樁基礎(chǔ)的承載力驗(yàn)算均滿足規(guī)范要求。

表12 多遇地震下樁基礎(chǔ)承載力檢算結(jié)果 kN

7.2 設(shè)計(jì)地震作用下支座的檢算

由文獻(xiàn)［3］可知，應(yīng)按設(shè)計(jì)地震驗(yàn)算支座的抗剪能力。常規(guī)設(shè)計(jì)、減隔震設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)地震作用下各橋墩縱向活動(dòng)支座的橫向剪力響應(yīng)如表13所示。

由表13中結(jié)果可知，在設(shè)計(jì)地震作用下，支座所承受的水平力超過(guò)減隔震設(shè)計(jì)中的雙曲面球型減隔震支座抗剪銷的水平承載力時(shí)，抗剪銷被剪斷，支座的限位約束被解除，支座所承受的剪力響應(yīng)大大減小。在恢復(fù)力的作用下，地震發(fā)生后雙曲面球型減隔震支座很容易復(fù)位，只需要更換支座的抗剪銷，支座又能恢復(fù)正常使用。

表13 設(shè)計(jì)地震下各支座的橫向剪力響應(yīng)

7.3 罕遇地震作用下橋墩的延性檢算

由文獻(xiàn)［3］可知，應(yīng)按罕遇地震對(duì)鋼筋混凝土的橋墩進(jìn)行延性驗(yàn)算，非線性位移延性比μu=Δmax/Δy應(yīng)小于允許位移延性比4.8，其中Δmax為橋墩的非線性最大位移響應(yīng)，Δy為橋墩的屈服位移。常規(guī)設(shè)計(jì)、減隔震設(shè)計(jì)在罕遇地震作用下剛構(gòu)墩的延性驗(yàn)算如表14所示。

表14 罕遇地震下剛構(gòu)墩的延性驗(yàn)算

由表14中計(jì)算結(jié)果可知，在罕遇地震作用下，減隔震設(shè)計(jì)下各個(gè)橋墩的非線性最大位移響應(yīng)與常規(guī)設(shè)計(jì)下相比偏小。常規(guī)設(shè)計(jì)中順橋向的剛構(gòu)墩和橫橋向的所有橋墩均已屈服，減隔震設(shè)計(jì)中順橋向的剛構(gòu)墩和橫橋向的交接墩均已屈服，位移延性比均小于4.8，滿足抗震規(guī)范中延性檢算的要求。

8 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法是依靠增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸、配筋從而提高結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度、變形能力來(lái)抗震的，盡管通過(guò)適當(dāng)選擇塑性鉸的發(fā)生順序和細(xì)部延性設(shè)計(jì)可以防止結(jié)構(gòu)的倒塌，但結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷不可避免。采用減隔震裝置可以將結(jié)構(gòu)與可能引起破壞的地震地面運(yùn)動(dòng)或支座運(yùn)動(dòng)分離開，從而大大減少結(jié)構(gòu)的地震力。本文中的(48+4×80+48)m預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)－連續(xù)梁橋，采用雙曲面球型減隔震支座進(jìn)行減隔震設(shè)計(jì)后，橋墩、基礎(chǔ)的內(nèi)力地震響應(yīng)，支座承受的剪力及橋墩的非線性最大位移響應(yīng)均大大減小，在與常規(guī)設(shè)計(jì)同等條件下，采用減隔震設(shè)計(jì)可以大大提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

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