東明黃河公路大橋抗震設計

宋曉輝，方國強，白 潔

(中交集團北京建達道橋咨詢有限公司，北京 100015)

1 工程概況

東明黃河公路大橋東接山東省日照至東明高速公路，西接河南省濟源至東明高速公路。主橋位于主河道內，依據河道寬度及《東明黃河公路大橋防洪評價報告》，確定主橋跨徑組合為(67+7×120+67)m及三聯(lián)(67+6×120+67)m大跨徑預應力混凝土連續(xù)箱梁。依據《東明黃河公路大橋工程場地地震安全性評價報告》，工程所處場地地震烈度為Ⅶ。該橋為高速公路上的特大橋，重要性高，一旦在地震中遭到破壞，將導致巨大的生命財產損失。而且工程所處場地地震等級較高，因此必須重視該橋的抗震設計，確保大橋的抗震安全性能。

2 抗震設防標準及地震動參數

根據《公路橋梁抗震設計細則》，本橋為B類橋梁，抗震設防標準為:E1地震作用下主要結構基本不發(fā)生破壞，E2地震作用下潛在塑性鉸區(qū)域可進入塑性狀態(tài)，震后可修復。地震動參數見表1。

表1 工程場地地震動參數

3 剛構—連續(xù)梁方案

主橋位于主河道內，平均墩高20 m，根據縱向平面桿系計算結果，靠近變形零點的兩個主墩采用墩梁固結的結構形式，其余為非固結墩。上部結構采用變截面預應力混凝土箱梁，跨中梁高3.0 m，根部梁高7.5 m，梁高按1.8次拋物線變化。主梁頂板寬13.25 m，懸臂長3.125 m，頂板厚28 cm，底板厚由跨中28 cm變至根部75 cm，腹板厚50～65 cm。固結墩采用雙薄壁墩，截面尺寸為7.0 m×1.8 m，非固結采用空心矩形墩，截面尺寸為7 m×4 m。承臺厚3.5 m，基礎采用21根直徑1.8 m的群樁基礎。本方案由于采用墩梁固結的結構形式，順橋向、橫橋向整體剛度大，地震作用時上下部結構產生的地震力主要由固結墩承擔。

4 連續(xù)梁方案

本方案全橋主墩均采用連續(xù)梁結構形式，墩頂設置雙曲面球型減隔震支座。上部結構采用變截面預應力混凝土箱梁，尺寸同剛構—連續(xù)梁方案。連續(xù)墩采用空心矩形墩，截面尺寸為7 m×4 m。承臺厚3.5 m，基礎采用21根直徑1.8 m的群樁基礎。雙曲面球型減隔震支座具有高阻尼、高耗能、低剛度、大變形、耐腐蝕等特性，能夠保證正常的支承豎向荷載、溫度變形、收縮徐變變形的要求。在地震作用下，可以耗散地震能量，減小上部結構的慣性力，改善結構的抗震性能。本方案在地震作用下，所有主墩共同承受地震作用，下部結構組合剛度低，而且雙曲面球型減隔震支座能夠耗散地震能量，減小上部結構的慣性力，從而保證主體結構不受破壞?？鐝讲贾靡妶D1。

5 抗震計算比選

抗震計算采用SAP2000有限元程序，建立主橋空間模型。模型順橋向為X軸，橫橋向為Y軸，豎向為Z軸。主梁、墩柱、樁基均采用空間梁單元。承臺模擬為質點，賦予承臺質量，采用土彈簧模擬樁土作用。二期恒載等效為均布質量施加于主梁上。

剛構—連續(xù)梁方案計算模型采用彈性連接模擬支座，連接及邊界條件見表2。

圖1 連續(xù)梁方案橋型布置

表2 剛構—連續(xù)梁方案邊界條件

連續(xù)梁方案計算模型采用摩擦隔震器單元模擬雙曲面球型減隔震支座，支座球心距H取5 m，滑動摩擦系數μ取0.04，單個支座的恒載反力W為26 MN。雙曲面球型減隔震支座發(fā)生位移時，上部結構自重沿滑動曲面的切線方向產生分力提供回復力，同時鋼板間存在滑動摩擦力。支座的側向力F等于回復力與摩擦力之和，F(xiàn)=(W/H)D+μW(sgnD)。支座屈服后的剛度Kh=W/H，式中D為支座位移。

根據計算，剛構—連續(xù)梁的基本周期為3.30 s，連續(xù)梁的基本周期5.56 s。

根據《公路橋梁抗震設計細則》，橋墩和樁基為抗震主要驗算構件，其中樁基按能力保護構件設計。分別對剛構—連續(xù)梁方案和連續(xù)梁方案進行詳細抗震計算，橋墩和樁基關鍵截面的彎矩計算結果及縱筋配筋結果見圖2—圖4和表3、表4。

表3 橋墩配筋

表4 樁基配筋

根據以上圖表，連續(xù)梁方案與剛構—連續(xù)梁方案相比，順橋向地震作用下，D103，D104號墩墩底彎矩減小了30%～40%，其余墩底彎矩略微增大;橫橋向地震作用下，D103，D104號墩墩底彎矩減小了80%，其余墩墩底彎矩減小了約90%。過渡墩及主墩縱筋配筋率分別減少了35%和50%。

連續(xù)梁方案與剛構—連續(xù)梁方案相比，順橋向地震作用下，D103，D104號墩樁基最大彎矩減小了約30%，其余墩樁基最大彎矩略微增大;橫橋向地震作用下，D99～D108號墩樁基最大彎矩減小了50%。過渡墩樁基縱筋配筋保持不變，主墩樁基配筋率減小了45%。

6 結論

分析結果證明，連續(xù)梁方案可以顯著降低橋梁主墩及樁基礎的地震響應，減小橋墩及樁基礎的鋼筋用量，對于保護結構安全、降低工程造價都有非常明顯的效果。因此推薦連續(xù)梁方案作為東明黃河公路大橋主橋的設計方案。

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