大跨徑波形鋼腹板PC組合箱梁橋動(dòng)力特性及抗震性能分析

李志聰

（河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，河北 石家莊 050011）

大跨徑波形鋼腹板PC組合箱梁橋動(dòng)力特性及抗震性能分析

李志聰

（河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，河北 石家莊 050011）

波形鋼腹板PC組合箱梁橋具有自重輕、預(yù)應(yīng)力效率高、施工周期短、造型美觀等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式使結(jié)構(gòu)各組成部分受力明確，其應(yīng)用范圍正逐步向變截面大跨度梁橋擴(kuò)展，在我國(guó)擁有較好的發(fā)展前景。

波形鋼腹板；箱梁橋；動(dòng)力特性；抗震性能

波形鋼腹板PC組合箱梁橋是20世紀(jì)80年代早期出現(xiàn)的一種新型組合結(jié)構(gòu)橋梁，具有自重輕、預(yù)應(yīng)力效率高、施工周期短、造型美觀等諸多優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式使結(jié)構(gòu)各組成部分受力明確。波形鋼腹板PC組合箱梁橋在法國(guó)、日本等國(guó)家得到了較廣泛的研究和應(yīng)用，目前波形鋼腹板PC組合箱梁橋在我國(guó)同樣展現(xiàn)出蓬勃的發(fā)展前景，其應(yīng)用范圍正逐步向變截面大跨度梁橋擴(kuò)展，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。本文將以邢衡高速南水北調(diào)大橋?yàn)槔?，研究大跨徑波形鋼腹板鋼腹板PC組合箱梁橋動(dòng)力特性及抗震性能。

1 工程概述

本橋位于邢臺(tái)至衡水高速公路邢臺(tái)段上，全長(zhǎng)260m，跨徑組合為（70+120+70）m，橋梁跨越南水北調(diào)渠，橋軸線與南水北調(diào)渠呈90°。上部結(jié)構(gòu)為（70+120+70）m的波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱橋，單幅橋箱梁寬度為14.012m，箱梁底板寬度為7.5m。梁高和底板厚度均以2次拋物線的形式由跨中向根部變化，跨中梁高為3.5m，底板厚度為28cm，根部梁高為7.5m，底板厚為80cm。箱梁翼緣懸臂為325.6cm，懸臂端厚度為20cm，懸臂端根部厚度為70cm。下部結(jié)構(gòu)主墩采用矩形實(shí)體墩，橫橋向?qū)挾葹?.5m，順橋向?qū)挾葹?.0m，承臺(tái)平面尺寸為12m（橫橋向）×12m（順橋向），厚度為3.0m，承臺(tái)下設(shè)置3×3共9根直徑為1.8m的群樁基礎(chǔ)；橋臺(tái)采用肋板臺(tái)，樁基礎(chǔ)。

邢衡高速南水北調(diào)大橋的橋型布置如圖1所示。

2 動(dòng)力特性分析

2.1 結(jié)構(gòu)建模

對(duì)結(jié)構(gòu)建立正確的模型，是進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的首要步驟，模型是否完整和控制參數(shù)是否正確直接影響到計(jì)算結(jié)果和數(shù)據(jù)的輸出。所以，在本文中針對(duì)大跨徑波形鋼腹板PC組合箱梁橋運(yùn)用橋梁有限元計(jì)算軟件建立全橋的動(dòng)力模型。計(jì)算采用MIDAS CIVIL計(jì)算程序，用空間三維梁?jiǎn)卧x散橋梁結(jié)構(gòu)的主梁、橋墩、承臺(tái)、樁基礎(chǔ)，用土彈簧模擬樁土相互作用。橋梁動(dòng)力計(jì)算模型見圖2。

2.2 抗震模型中的特征參數(shù)

抗震模型中的特征參數(shù)包括如下幾個(gè)方面：

a）模型中梁體和墩柱采用空間桿系單元模擬，單元質(zhì)量采用集中質(zhì)量代表；

b）抗震設(shè)防類別B類，抗震重要系數(shù)為0.5（E1）和1.7（E2），抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)加速度0.10g；

c）根據(jù)土層平均剪切波速，場(chǎng)地類別為Ⅳ類，特征周期0.4s；

d）阻尼比系數(shù)取0.05s；

e）使用LANCZOS迭代方法進(jìn)行特征值分析。

2.3 動(dòng)力特性分析結(jié)果

對(duì)于橋梁抗震性能的分析最基礎(chǔ)最直接的方法就是對(duì)橋梁的動(dòng)力特性進(jìn)行分析，從已建好的模型運(yùn)行分析結(jié)果中提取出主要數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以了解結(jié)構(gòu)在不同條件下的動(dòng)力特性。由有限元軟件計(jì)算可得到該大跨徑波形鋼腹板PC組合箱梁橋的前5階振型的頻率和周期（見表1）。

由表1可以看出，橋梁基本自振頻率為0.91HZ，基本周期為1.10s，基本振型為主梁豎向正對(duì)稱彎曲振動(dòng)。橋梁結(jié)構(gòu)典型振型圖見圖3、圖4。

3 地震作用分析

3.1 減隔振設(shè)計(jì)

目前抗震設(shè)計(jì)有延性設(shè)計(jì)和減隔振設(shè)計(jì)兩個(gè)設(shè)計(jì)思路，同時(shí)為保證橋梁結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和抗震的安全性，一般采用延性設(shè)計(jì)，即允許橋梁結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下進(jìn)行塑性工作狀態(tài)，在預(yù)期的部位（通常選擇在墩頂和墩底）出現(xiàn)塑性鉸以耗散能量，但不允許出現(xiàn)剪切破壞。本橋下部結(jié)構(gòu)的墩柱很矮，僅1.6m。按照新的《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T B02—01—2008）第7.3.2條，對(duì)于計(jì)算長(zhǎng)度與矩形截面計(jì)算方向的尺寸之比小于2.5（或計(jì)算長(zhǎng)度與圓形截面直徑之比小于2.5）的矮墩，順橋向和橫橋向E2地震作用效應(yīng)和 永久作用組合后，應(yīng)按現(xiàn)行的公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范相關(guān)規(guī)定驗(yàn)算橋墩的強(qiáng)度。本橋在概念設(shè)計(jì)階段采用反應(yīng)譜方法，對(duì)本橋的抗震性能作出初步評(píng)價(jià)，確定采用減隔振設(shè)計(jì)。目前國(guó)內(nèi)外常用的減隔振裝置有高阻尼橡膠支座、鉛芯橡膠支座、粘滯阻尼器、金屬阻尼器和摩擦擺式支座。經(jīng)過使用性能、經(jīng)濟(jì)性比選，最終選用JZPZ型摩擦擺錘式盆式橡膠減震支座。

3.2 摩擦擺錘式減震支座結(jié)構(gòu)和參數(shù)

摩擦擺隔震裝置在1985年由美國(guó)的Zayas等人提出，同年摩擦擺支座（FPB）由美國(guó)EPS公司發(fā)明。摩擦擺支座隔震消能原理是利用滑動(dòng)面的設(shè)計(jì)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期，以大幅度減少結(jié)構(gòu)因地震作用而引起的放大效應(yīng)，通過支座的滑動(dòng)面與滑塊之間的滑動(dòng)來達(dá)到消耗地震能量（見圖5）。此外，其特有的圓弧滑動(dòng)面具有自動(dòng)復(fù)位功能，可以有效地限制隔震支座的位移，使其震后恢復(fù)原位。摩擦擺支座造價(jià)低、施工簡(jiǎn)單、承載能力高，除了具有一般平面滑動(dòng)隔震系統(tǒng)的特點(diǎn)外，還具有良好的穩(wěn)定性、復(fù)位功能和抗平扭能力。

摩擦擺支座主要包括用限滑動(dòng)螺栓、不銹鋼材料的球形滑面滑槽、涂有Teflon材料的滑塊以及用來與上部結(jié)構(gòu)相連的蓋板，其構(gòu)造如圖6所示。摩擦擺支座通過球形滑動(dòng)表面的運(yùn)動(dòng)使上部結(jié)構(gòu)發(fā)生單擺運(yùn)動(dòng)，隔震系統(tǒng)的周期和剛度通過選取合適的滑動(dòng)表面曲率半徑來控制，阻尼由動(dòng)摩擦系數(shù)來控制。限滑動(dòng)螺栓剪斷前，摩擦擺隔震支座不發(fā)生滑動(dòng)，在其支撐下的隔震橋梁結(jié)構(gòu)與普通橋梁結(jié)構(gòu)相同；當(dāng)?shù)卣饘⑾藁瑒?dòng)螺栓剪斷后時(shí)，摩擦擺隔震支座發(fā)生位移。地震中摩擦擺支座的恢復(fù)力模型可簡(jiǎn)化成圖7所示的雙線性滯回模型。

在圖7中，μ為動(dòng)摩擦系數(shù)；W為豎向荷載；Ki為初始剛度，Ki=μW/Dy；Kfps為摩擦擺支座的擺動(dòng)剛度，Kfps=W/R；R為曲率半徑，按式（1）計(jì)算；Dy為屈服位移；Dd為極限位移。

式中，T為摩擦擺系統(tǒng)的隔震周期。

3.3 計(jì)算使用的地震波

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》要求，設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)加速度為0.10g，場(chǎng)地特征周期為Ⅳ類，重要性系數(shù)C1=1.7，場(chǎng)地系數(shù)Cs=1.4。計(jì)算采用5條人工地震動(dòng)及強(qiáng)震記錄波形。地震波形見圖8～圖12。

3.4 分析結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，確定摩擦擺支座的曲率半徑R=1.0m，結(jié)構(gòu)的隔震周期T=2.0s，約為隔震前結(jié)構(gòu)周期（0.64s）的3倍。采用此減隔震方案，摩擦擺支座的順橋向最大水平滑動(dòng)位移為95mm，相應(yīng)的豎向位移為4.5mm；橫橋向最大水平滑動(dòng)位移為40mm，相應(yīng)的豎向位移為1mm。墩底剪力和彎矩是采用普通支座情況下的20%～40%，有很好的減隔振效果。

4 結(jié)語

本橋按《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》進(jìn)行了抗震設(shè)計(jì)，采用摩擦擺式支座進(jìn)行減隔振設(shè)計(jì)，該方案經(jīng)過有限元軟件分析計(jì)算具有很好的減隔振效果，地震作用下，通過動(dòng)能轉(zhuǎn)化成勢(shì)能來吸收大部分地震能量，將上部結(jié)構(gòu)傳遞至橋墩的地震力減至最小，有效的保證了橋墩和樁基的安全；而且其特有的圓弧滑動(dòng)面具有自動(dòng)復(fù)位功能，可以有效地限制隔震支座的位移，使其震后恢復(fù)原位。

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Analysis on Dynamic Characteristics and Seismic Performance of Box Girder Bridge with PC Combination about Long Span Corrugated Steel Webs

LI Zhi-cong

(Hebei Province Traffic Planning and Design Institute,Shijiazhuang 050011,China)

Box girder bridge with PC combination about corrugated steel webs has some advantages,such as a light weight,prestressed high efficiency,short construction period,handsome in appearance,etc.While it has the clear structure force in integral part because of its unique structural forms.It is applicated in variable crosssection large span girder bridge,and has good development prospects in China.

corrugated steel web;box girder bridge;dynamic characteristic;seismic performance

U442.55

A

1002-4786（2013）09-0082-04

2012-11-30