大蘆線航道整治工程新匯路橋抗震設(shè)計(jì)

年福龍

（上海城投航道建設(shè)有限公司，上海市 200092）

大蘆線航道整治工程新匯路橋抗震設(shè)計(jì)

年福龍

（上海城投航道建設(shè)有限公司，上海市 200092）

跨航道橋梁因其特殊性，主橋和引橋的重要性有所不同，其結(jié)構(gòu)形式也往往區(qū)別較大。在進(jìn)行橋梁抗震設(shè)計(jì)時(shí)，宜制定不同的設(shè)防目標(biāo)及抗震措施，以確保橋梁結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)合理?，F(xiàn)以大蘆線航道整治工程新匯路橋抗震設(shè)計(jì)為例，經(jīng)過(guò)多方面比選論證，對(duì)主橋、引橋采用不同的設(shè)防目標(biāo)及抗震措施，進(jìn)行合理的全橋抗震設(shè)計(jì)。其成果可為類似工程的建設(shè)積累若干寶貴經(jīng)驗(yàn)。

跨航道橋梁；抗震設(shè)計(jì)；雙曲面支座；拉索支座

1　工程概況

大蘆線航道位于上海東南部，是上海市“一建設(shè)的重要組成部分。根據(jù)航道規(guī)劃，整治后的大蘆線航道為Ⅲ級(jí)航道，由于之前的航道等級(jí)較低，現(xiàn)狀新匯路橋梁由于建設(shè)時(shí)間不滿足新的通航要求，需拆除重建。

根據(jù)航道通航要求，新建新匯路橋主跨采用一跨過(guò)河布置，主橋采用計(jì)算跨徑135 m的下承式系桿拱橋，主拱為鋼箱拱肋，主梁為鋼-混凝土組合梁。主橋橋面整幅布置，橋?qū)?1.4 m（見(jiàn)圖1）。與主橋兩端相接的一跨引橋采用簡(jiǎn)支現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，其余引橋采用跨徑22 m先簡(jiǎn)支后連續(xù)小箱梁，引橋雙幅布置，單幅標(biāo)準(zhǔn)橋?qū)?1.75m。全橋總體布置為（4×22 m）+（4×22 m）+（30.7 m）+ （137.4 m主橋）+（30.7 m）+（4×22 m）+（4×22 m）+ （22 m+30 m+22 m+22 m）+（4×22 m）。

2　抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)及性能目標(biāo)

新匯路為城市次干路，根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，橋梁抗震設(shè)防分類為丁類。由于主橋跨越Ⅲ級(jí)航道，其抗震安全性直接影響到大蘆線航道的通航安全，故適當(dāng)提高主橋的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。

（1）抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：

a.抗震設(shè)防烈度7度，地震動(dòng)峰值加速度為0.10 g。

b.主橋抗震設(shè)防類別為丙類，引橋抗震設(shè)防類別為丁類。

c.主橋抗震措施等級(jí)為按8度設(shè)防，引橋抗震措施等級(jí)為按7度設(shè)防。

（2）橋梁抗震性能目標(biāo)，見(jiàn)表1所列。

3　地震輸入?yún)?shù)

根據(jù)抗震規(guī)范規(guī)定，阻尼比0.05的水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜如圖2所示（以主橋?yàn)槔?/p>

考慮到主橋結(jié)構(gòu)剛度較大，重要性較高，在E2水準(zhǔn)下推薦采用減隔震設(shè)計(jì)。根據(jù)規(guī)范將設(shè)計(jì)反應(yīng)譜生成人工地震時(shí)程波，如圖3所示。

4　地震反應(yīng)分析

利用Sap2000軟件建立全橋的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和地震反應(yīng)分析的三維有限元模型（見(jiàn)圖4）。主梁，橋墩和樁基均離散為空間的梁?jiǎn)卧?，承臺(tái)模擬為質(zhì)點(diǎn)，用等效土彈簧模擬樁土相互作用。

在E1地震水準(zhǔn)下，應(yīng)用彈性反應(yīng)譜法對(duì)該橋進(jìn)行抗震性能分析，計(jì)算采取前500階進(jìn)行組合，振型組合方式為CQC。

在E2地震水準(zhǔn)下，主橋支座剪斷進(jìn)入非線性狀態(tài)，根據(jù)生成的人工時(shí)程波進(jìn)行非線性時(shí)程分析。

5　主橋抗震設(shè)計(jì)

5.1E1水準(zhǔn)地震強(qiáng)度驗(yàn)算

在E1地震輸入下驗(yàn)算主橋支座及構(gòu)件承載能力如表2～表4所列?？梢?jiàn)，主橋支座及各項(xiàng)構(gòu)件強(qiáng)度均能滿足E1水準(zhǔn)性能目標(biāo)要求。

5.2E2水準(zhǔn)地震減隔震設(shè)計(jì)

圖1　主橋布置圖

圖2　E1、E2水準(zhǔn)水平向設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜圖

圖3　E2水準(zhǔn)人工地震時(shí)程波圖示

圖4　抗震計(jì)算模型（主橋局部）

表1　橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)一覽表

表2　E1水準(zhǔn)下支座承載能力驗(yàn)算表（主橋）

E2水準(zhǔn)地震下主橋支座的水平地震力超過(guò)支座容許承載力，支座將被剪壞，主梁進(jìn)入漂浮體系。針對(duì)E2水準(zhǔn)下地震烈度較大，橋梁構(gòu)件強(qiáng)度難以滿足的特點(diǎn)，目前常用的有延性設(shè)計(jì)及減隔震設(shè)計(jì)兩種抗震策略。前者通過(guò)容許橋墩局部破壞進(jìn)入塑性耗散地震能量，保護(hù)其余重要構(gòu)件；后者則通過(guò)減隔震裝置耗能，橋梁其余構(gòu)件需保持彈性狀態(tài)。

新匯路橋主橋橋墩剛度較大，采用延性設(shè)計(jì)有一定困難，同時(shí)考慮到主橋跨越繁忙的內(nèi)河航道，橋墩損傷后修復(fù)比較困難，因此推薦在E2水準(zhǔn)地震下進(jìn)行減隔震設(shè)計(jì)。減隔震支座采用雙曲面球型支座（見(jiàn)圖5）。

圖5　雙曲面支座示意圖

與常規(guī)支座不同的是，雙曲面支座沒(méi)有統(tǒng)一的支座型號(hào)參數(shù)，除摩擦系數(shù)外，曲率半徑、地震自由程等各項(xiàng)參數(shù)均需要根據(jù)不同的橋梁構(gòu)造形式、地震烈度、場(chǎng)地特征等予以特殊設(shè)計(jì)。在實(shí)際操作中，往往要對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行參數(shù)比選，以獲得最合理的參數(shù)組合。以該橋?yàn)槔軜?gòu)造尺寸所限，雙曲線支座曲率半徑限定為5 m，根據(jù)非線性時(shí)程分析，設(shè)計(jì)支座最大容許位移為250 mm。支座及構(gòu)件承載能力如表5～表7所列。

表3　E1水準(zhǔn)縱向輸入下構(gòu)件能力驗(yàn)算表（主橋）

表4　E1水準(zhǔn)橫向輸入下構(gòu)件能力驗(yàn)算表（主橋）

表5　E2水準(zhǔn)下支座位移能力驗(yàn)算表（主橋）

表6　E2水準(zhǔn)縱向輸入下構(gòu)件能力驗(yàn)算表（主橋）

表7　E2水準(zhǔn)橫向輸入下構(gòu)件能力驗(yàn)算表（主橋）

可知，結(jié)構(gòu)各控制斷面強(qiáng)度滿足該工況下抗震性能目標(biāo)的要求。

6　引橋簡(jiǎn)支跨抗震設(shè)計(jì)

主橋兩端各一跨為簡(jiǎn)支現(xiàn)澆混凝土箱梁，優(yōu)先考慮采用球鋼支座。

根據(jù)規(guī)范要求，引橋抗震設(shè)防類別為丁類，抗震設(shè)計(jì)方法為B類，只需進(jìn)行E1地震作用下的抗震分析和抗震驗(yàn)算。但是在支座抗震驗(yàn)算時(shí)，需采用支座調(diào)整系數(shù)來(lái)考慮E2地震作用效應(yīng)。E1地震作用下支座承載能力如表8及表9所列。

表8　E1水準(zhǔn)縱向輸入下支座承載能力驗(yàn)算表（引橋）

表9　E1水準(zhǔn)橫向輸入下支座承載能力驗(yàn)算表（引橋）

由表8及表9可知，引橋簡(jiǎn)支跨支座承載力能夠滿足E1水準(zhǔn)下的抗震需求，但是在E2水準(zhǔn)地震下將被剪壞，存在落梁風(fēng)險(xiǎn)，需要在墩梁之間設(shè)置抗震擋塊，限制過(guò)大地震位移。同時(shí)，考慮到該跨引橋跨越防汛通道，為了確保震后防汛通道暢通，該橋引入了基于球鋼支座的拉索減震支座（見(jiàn)圖6）。

圖6　拉索減震支座示意圖

拉索減震支座是通過(guò)在普通球鋼支座上下頂板之間增加彈性鋼拉索連接、輕巧妙結(jié)合形成的一種新型減隔震支座。在遭遇罕遇地震時(shí)，支座固定銷剪斷，變成滑動(dòng)支座摩擦耗能，減小地震力，同時(shí)由拉索限制地震造成的過(guò)大動(dòng)位移。由于鋼拉索為彈塑性材料，即使在達(dá)到最大強(qiáng)度屈服之后，仍具有較大的延性變形而不破壞的能力，相比混凝土限位擋塊，能夠更加有效地減小落梁風(fēng)險(xiǎn)。

7　引橋小箱梁抗震設(shè)計(jì)

其余各跨引橋?yàn)橄群?jiǎn)支后連續(xù)小箱梁，采用板式橡膠支座。只需進(jìn)行E1地震作用下的抗震分析和抗震驗(yàn)算，支座承載能力如表10及表11所列。

由表10及表11可知，引橋小箱梁使用的橡膠支座是在E2水準(zhǔn)地震下將發(fā)生滑移，小箱梁存在落梁風(fēng)險(xiǎn)。因此，該橋在蓋梁上設(shè)置了雙向擋塊，以限制小箱梁縱橫向位移（見(jiàn)圖7）。

表10　E1水準(zhǔn)縱向輸入下支座承載能力驗(yàn)算表（引橋小箱梁）

表11　E1水準(zhǔn)橫向輸入下支座承載能力驗(yàn)算表（引橋小箱梁）

圖7　小箱梁擋塊工程實(shí)例圖

8　結(jié)　語(yǔ)

由于主橋和引橋的重要性有所不同，在進(jìn)行跨航道橋梁抗震設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)主橋和引橋梁用不同的設(shè)防目標(biāo)和抗震措施。在新匯路橋抗震設(shè)計(jì)中，主橋采用了基于雙曲面支座的減隔震設(shè)計(jì)，引橋則根據(jù)實(shí)際情況采用了拉索減震支座和抗震擋塊等抗震構(gòu)造措施。通過(guò)合理的參數(shù)比選，在經(jīng)濟(jì)合理的前提下，最大限度地優(yōu)化了全橋的抗震性能，減輕了橋梁結(jié)構(gòu)的地震破壞。

U442.5+5

B

1009-7716（2016）07-0156-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.045

2016-03-10

年福龍（1964-），男，上海人，高級(jí)工程師，從事工程項(xiàng)目管理工作。