首都機場飛行區(qū)新建滑行橋減震系統(tǒng)設(shè)計

楊成淳

(北京首都國際機場股份有限公司，北京 100621)

0 引言

北京首都國際機場滑行東橋位于首都機場T1，T2航站樓南側(cè)，是T1，T2航站樓與機場西跑道連接的重要通道?；袠蛏辖?jīng)常有大型飛機停留排隊等候進入西跑道起飛，橋下為華北地區(qū)最繁忙的首都機場高速公路，日通行量約為10萬輛。

原橋為1976年建造，由于當(dāng)時條件限制未考慮設(shè)置減、消震系統(tǒng)。近年來，由于飛機通過頻繁、荷載大以及融雪劑的侵蝕造成舊橋橋面系、橋梁上部及部分下部結(jié)構(gòu)等均受到不同程度的損害侵蝕。為了保障機場的運行安全，決定進行原橋拆除以及新建。由于本工程所在地抗震設(shè)防烈度為8度，加之橋梁上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量比較大，在新橋設(shè)計時綜合采用了板式橡膠支座和粘滯阻尼器共同組成減震系統(tǒng)，防止大震時橋墩產(chǎn)生倒塌性破壞及上部結(jié)構(gòu)落梁。

本文主要針對首都機場新建滑行東橋的減震系統(tǒng)來進行性能分析。

1 工程概況及抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

原橋主體結(jié)構(gòu)為三跨預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，跨度組合為17.09 m+16.25 m+17.09 m。上部結(jié)構(gòu)采用10道預(yù)應(yīng)力箱梁，中間6道為飛機滑行道，寬度33 m;兩側(cè)各2道為車行道，寬度13.5 m，橋面總寬度為60 m。下部結(jié)構(gòu)為薄壁橋墩和橋臺，基礎(chǔ)采用直徑為80 cm鉆孔灌注樁。新建橋梁上部結(jié)構(gòu)采用10道連續(xù)鋼箱梁，中間6道為飛機滑行道，鋼箱梁中間設(shè)置橫向聯(lián)系，寬度32.96 m;兩側(cè)各2道為車行道，寬度13.48 m。原有跨度組合不變。新建時對橋墩采用增大截面法進行加固處理，并在橋體箱室與橋臺前墻之間采用粘滯阻尼器連接，在橋臺與梁端間設(shè)置橡膠墊，從而保證全橋水平力可以順利地傳遞到橋臺。全橋整體布置見圖1。

圖1 全橋總體布置（單位：mm）

根據(jù)JTG/T B02-01-2008公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則［1］，該滑行橋按B類橋梁兩階段抗震設(shè)計:

1)在E1地震(中震)作用下，結(jié)構(gòu)在彈性范圍內(nèi)工作，基本不受損傷;

2)在E2地震(大震)作用下，延性構(gòu)件可發(fā)生損傷，產(chǎn)生彈塑性變形，耗散地震能量，但破壞部位經(jīng)臨時加固后可供維持應(yīng)急交通使用。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，對本橋梁抗震設(shè)防地震動參數(shù)取值見表1。中震水平下加速度反應(yīng)譜見圖2，大震水平下人工加速度時程見圖3。

表1 橋址場地設(shè)計地震參數(shù)

圖2 中震加速度反應(yīng)譜

圖3 大震加速度時程

2 結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測方法

原橋橋身與薄壁橋墩及橋臺采用盆式橡膠支座支承連接，此類支承體系每道箱梁在順橋向有2處固定支座，故在地震作用下墩臺處會產(chǎn)生水平力過度集中的現(xiàn)象，導(dǎo)致薄壁橋墩、橋臺破壞甚至上部結(jié)構(gòu)落梁等震害。

針對該橋的特點新建連續(xù)鋼箱梁橋考慮采用特制板式橡膠支座和粘滯阻尼器(FD)來分散水平地震作用，并且提高墩臺抗震能力。

板式橡膠支座和粘滯阻尼器(FD)的尺寸及設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 支座及粘滯阻尼器參數(shù)

3 結(jié)構(gòu)動力特性分析

采用子空間迭代法分別計算預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)和連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)的固有周期，結(jié)果見表3?？梢姴捎眠B續(xù)鋼箱梁結(jié)合粘滯阻尼器的新橋設(shè)計方案能夠顯著延長橋梁結(jié)構(gòu)的固有周期，遠(yuǎn)離地震能量集中的頻率區(qū)段，達到減震的效果。

表3 結(jié)構(gòu)固有周期 s

4 中震反應(yīng)譜分析

采用有限元程序?qū)θ珮蜻M行雙向彈性地震反應(yīng)譜分析，主要驗證結(jié)構(gòu)潛在塑性區(qū)在地震中是否處于彈性狀態(tài)。原橋和新橋兩端橋墩彎矩響應(yīng)見表4。

表4 中震下墩臺底彎矩響應(yīng) kN·m

結(jié)果表明，原橋結(jié)構(gòu)方案由于在順橋向和橫橋向均只有兩處剛性連接承擔(dān)水平地震力，導(dǎo)致在水平地震力下原橋墩臺底彎矩響應(yīng)超出彈性狀態(tài)范圍，不能滿足中震下抗震設(shè)防要求。新橋結(jié)構(gòu)方案在順橋向兩端橋臺處設(shè)置兩排共計10套粘滯阻尼器承擔(dān)水平地震作用，使橋臺在水平地震下處于彈性狀態(tài)，滿足中震下抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。

5 大震非線性時程分析

采用動力彈塑性時程分析法，計算在大震(E2)作用下橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移響應(yīng)，分析結(jié)果見表5。從大震作用分析結(jié)果可以看出:

在大震作用下，原橋支座在橫橋向和順橋向的水平位移均較大，部分超過支座位移的允許值，可以判定支座已經(jīng)破壞，且上部結(jié)構(gòu)會發(fā)生主梁脫座甚至落梁的震害。大震激勵下，橋墩接近甚至超過極限彎矩，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的損傷，震后維修加固工作量較大，無法滿足大震下抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。

新橋結(jié)構(gòu)方案中強大的地震能量主要由粘滯阻尼器的滯回性能耗散，支座的水平變位由于粘滯阻尼器的屈服耗能而降低，支座處于正常的工作狀態(tài)，震后無需更換。大震中橋墩基本處于彈性狀態(tài)，震后無需維修。

表5 大震下結(jié)構(gòu)響應(yīng)(最大值)

6 結(jié)語

1)首都機場飛行區(qū)滑行東橋主要位于強震區(qū)，原橋盆式橡膠支座的支承方案難以滿足結(jié)構(gòu)抗震要求。新橋采用在主梁和橋臺之間加裝粘滯阻尼器來分散水平地震力，并且提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

2)原橋采用盆式橡膠支座雖然能將水平地震力分散到各個橋墩上，但在大震作用下支座會產(chǎn)生較大的水平位移，甚至?xí)l(fā)生落梁等震害，給震后的應(yīng)急通行和強余震下的結(jié)構(gòu)安全帶來較大的危險，且需要較多的維修加固工作。

3)新橋采用板式橡膠支座將水平地震力分散到各個橋墩上，并通過粘滯阻尼器的滯回效能來耗散地震能量，在大震作用下支座水平位移相對較小，薄壁橋墩基本保持在彈性工作狀態(tài)，震后的應(yīng)急通行和強余震下的結(jié)構(gòu)安全均有較高保障。因此新橋設(shè)計采用板式橡膠支座結(jié)合粘滯阻尼器的方案，使橋梁能夠滿足公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則中規(guī)定的兩階段抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。

4)為了保證充分發(fā)揮粘滯阻尼器滯回耗能作用，并防止橋梁在遭受到橫橋向未預(yù)期強震時產(chǎn)生過大的墩梁相對位移而導(dǎo)致落梁震害，應(yīng)在橋臺兩側(cè)設(shè)置橫向抗震擋塊。

［1］ JTG/T B02-01-2008，公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則［S］.

［2］ 范立礎(chǔ).橋梁抗震［M］.上海:同濟大學(xué)出版社，1997.

［3］ 劉美蘭.midas Civil在橋梁結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用［M］.北京:人民交通出版社，2012.

［4］ 孟春光.粘滯阻尼器減震結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及計算實例［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2009.

［5］ 李 星.粘滯阻尼器在大跨度析架結(jié)構(gòu)減振中的應(yīng)用［J］.四川建筑，2009(3):88-89.