高震區(qū)城市高架橋梁的全預(yù)制拼裝設(shè)計(jì)方案

徐 俊，王明曄，盧永成

（1.上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 200030;2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海市 200092）

高震區(qū)城市高架橋梁的全預(yù)制拼裝設(shè)計(jì)方案

徐 俊1，王明曄1，盧永成2

（1.上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 200030;2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海市 200092）

結(jié)合呼和浩特市高架橋工程設(shè)計(jì)，從設(shè)防水準(zhǔn)、性能目標(biāo)、抗震體系選擇等方面對橋梁抗震概念設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，對國內(nèi)首次在高震區(qū)采用全預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行了充分的論證，提出了合理可靠的設(shè)計(jì)方案，為類似橋梁設(shè)計(jì)提供有益的參考。

預(yù)制拼裝；高震區(qū)；城市高架橋

0 引言

20世紀(jì)70年代，橋梁預(yù)制拼裝技術(shù)在荷蘭、美國等地開始應(yīng)用。美國聯(lián)邦公路署于2004年開展了橋梁快速施工相關(guān)技術(shù)的系列研究，核心就是預(yù)制拼裝技術(shù)研究及在橋梁建造中的推廣應(yīng)用（見圖1）。與此同時(shí)，日本也開展了預(yù)制拼裝橋墩相關(guān)技術(shù)的研究，包括正常使用功能和抗震性能研究，并研發(fā)了一些新型預(yù)制拼裝橋墩連接構(gòu)造，編制了相應(yīng)的設(shè)計(jì)指南[1]。

圖1 國外預(yù)制拼裝技術(shù)

伴隨著國外先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備不斷引進(jìn)，預(yù)制拼裝橋梁上部結(jié)構(gòu)在我國得到越來越廣泛的應(yīng)用，預(yù)制拼裝橋梁下部結(jié)構(gòu)也從海上大型項(xiàng)目發(fā)展到城市橋梁高架項(xiàng)目。城市橋梁的建設(shè)與公路橋梁相比，更加關(guān)注施工期間交通管制、場地安全以及噪聲、粉塵污染等產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和社會效應(yīng)。因此，混凝土預(yù)制拼裝施工技術(shù)由于其具有的施工質(zhì)量高、現(xiàn)場工期短、交通干擾少、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，已在上海地區(qū)橋梁建設(shè)中得到較多的應(yīng)用。如S7新建公路、S26高速入城段、S3高速公路先期實(shí)施段、北橫通道等工程應(yīng)用。取得了良好的效果，在河南鄭州、黑龍江密興、四川成都、湖南長沙、新疆烏魯木齊等地也正在組織實(shí)施中。

在各企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)及政府部門的努力下，部分省份正在陸續(xù)總結(jié)制定裝配式橋梁結(jié)構(gòu)的相關(guān)規(guī)程、規(guī)范，以指導(dǎo)橋梁預(yù)制結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收等。相關(guān)規(guī)范主要有：住建部標(biāo)準(zhǔn)《鋼筋連接用灌漿套筒》（JG/T 398—2012）、住建部標(biāo)準(zhǔn)《鋼筋連接用套筒灌漿料》（JG/T 408—2013）、住建部標(biāo)準(zhǔn)《鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ 355—2015）、住建部標(biāo)準(zhǔn)《節(jié)段預(yù)制拼裝混凝土橋梁技術(shù)規(guī)范》（編制中）、上海市工程建設(shè)規(guī)范《預(yù)制拼裝橋墩技術(shù)規(guī)程》（DG/TJ 08-2160—2015）、上海市工程建設(shè)規(guī)范《城市節(jié)段預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（編制中）。

1 工程背景

呼和浩特市昭烏達(dá)路哲里木路改造提升工程（以下簡稱“呼市南北高架工程”）主線高架橋總長約為10 km，位于呼市的市中心區(qū)域，交通繁忙，同時(shí)呼市的嚴(yán)寒氣候條件決定了每年有效的施工時(shí)間較短。為最大限度降低橋梁施工對周邊居民、交通和社會環(huán)境的影響，滿足工程建設(shè)進(jìn)度要求。該工程主線標(biāo)準(zhǔn)段和平行匝道擬采用全預(yù)制拼裝設(shè)計(jì)。所謂全預(yù)制拼裝技術(shù)，是指上、下部結(jié)構(gòu)的構(gòu)件主要采用工廠預(yù)制、現(xiàn)場拼裝施工技術(shù)。該工程上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制的簡支小箱梁、簡支組合梁，下部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制的倒T蓋梁、立柱，采用灌漿套筒連接實(shí)現(xiàn)蓋梁與立柱、立柱與承臺的連接。

在呼市南北高架工程中應(yīng)用預(yù)制拼裝技術(shù)，一方面是嚴(yán)寒地區(qū)施工周期短以及城市高架橋交通繁忙的客觀條件需要，同時(shí)也是響應(yīng)國家發(fā)展和社會背景變化的需求，因此是非常必要的。

上海市工程建設(shè)規(guī)范《預(yù)制拼裝橋墩技術(shù)規(guī)程》（DG/TJ 08-2160—2015）[2]規(guī)定：“本規(guī)程適用于非抗震區(qū)及抗震烈度6度區(qū)或7度區(qū)?！痹诤羰?度高震區(qū)條件下，該工程采用預(yù)制拼裝技術(shù)是否適用是設(shè)計(jì)首先面臨的挑戰(zhàn)。

2 橋梁抗震概念設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)防水準(zhǔn)及性能目標(biāo)

該工程地震基本烈度為8度。地震動峰值加速度a=0.20 g，反應(yīng)譜特征周期T=0.4 s?？拐鹪O(shè)防措施按9度進(jìn)行設(shè)置。

結(jié)構(gòu)抗震性能研究采用二水準(zhǔn)設(shè)防、二階段設(shè)計(jì)和基于結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計(jì)思想。橋梁抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為：在E1地震作用下，結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)總體上在彈性范圍，基本無損傷，橋梁在震后可立即使用；在E2地震作用下，結(jié)構(gòu)可發(fā)生有限的地震損傷，橋梁經(jīng)搶修可恢復(fù)使用，在地震后經(jīng)過永久性修復(fù)可恢復(fù)正常的運(yùn)營功能。

2.2 抗震體系選擇

橋梁結(jié)構(gòu)抗震體系應(yīng)滿足以下要求：

（1）有可靠和穩(wěn)定傳遞地震作用到地基的途徑；

（2）有效的位移約束，能可靠地控制結(jié)構(gòu)地震位移，避免發(fā)生落梁破壞；

（3）有明確、可靠、合理的地震能量耗散部位；

（4）應(yīng)避免因部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力。

目前，橋梁抗震設(shè)計(jì)主要有延性抗震設(shè)計(jì)和減隔震抗震設(shè)計(jì)兩種方法。

針對該工程8度區(qū)的城市高架橋，設(shè)計(jì)選取標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)為研究對象，根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 166—2011）[3]，分別按照延性結(jié)構(gòu)體系和減隔震結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了抗震分析，比較了兩種體系所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)抗震性能。

延性抗震設(shè)計(jì)體系的基本思路是“抗”，通過提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和延性，達(dá)到增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震能力。地震作用下，橋梁的塑性變形、耗能部位位于橋墩，即通過在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上加強(qiáng)樁基來滿足延性結(jié)構(gòu)體系所必需的能力設(shè)計(jì)要求,從而確保結(jié)構(gòu)塑性發(fā)生在墩底部位。

減隔震抗震設(shè)計(jì)體系是將普通支座更換為減隔震支座,地震引起的變形和地震能量的耗散均主要發(fā)生在減隔震裝置上,進(jìn)而大幅度減小結(jié)構(gòu)地震響應(yīng),并且主梁的縱橫向慣性力是由各墩柱共同承擔(dān)，使墩身和基礎(chǔ)在原設(shè)計(jì)條件下均保持為彈性工作狀態(tài)。

對比兩種抗震設(shè)計(jì)體系的實(shí)現(xiàn)方式和過程：采用延性設(shè)計(jì)，不可避免地使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷，而且消耗大量材料，增加工程造價(jià)；減隔震體系則可以避免主體結(jié)構(gòu)發(fā)生過大的地震損傷，可以減輕下部結(jié)構(gòu)的抗震要求。從既往項(xiàng)目比較結(jié)果看,采用減隔震體系的設(shè)計(jì)方法比延性抗震設(shè)計(jì)可大量節(jié)省直接工程費(fèi)用，具有非?？捎^的優(yōu)勢[4]。

上海市工程建設(shè)規(guī)范《預(yù)制拼裝橋墩技術(shù)規(guī)程》（DG/TJ 08-2160—2015）1.0.2 條條文說明：“考慮到高地震危險(xiǎn)性地區(qū)橋梁延性抗震對塑性鉸區(qū)延性變形能力有更高的要求，而現(xiàn)有有限的試驗(yàn)數(shù)據(jù)尚不足以支持其在高地震危險(xiǎn)地區(qū)推廣應(yīng)用，故本條文對預(yù)制橋墩的應(yīng)用范圍進(jìn)行了適當(dāng)?shù)囊?guī)定?！比缜八?，該工程采用減隔震抗震設(shè)計(jì)方法，并沒有延性抗震及塑性鉸等問題，也就避免了規(guī)范擔(dān)心的情況。因此，該工程采用預(yù)制拼裝技術(shù)與該規(guī)范并不沖突。

綜上所述,采用減隔震體系不僅可以獲得更優(yōu)的結(jié)構(gòu)抗震性能,具有更好的經(jīng)濟(jì)性，還為在高震區(qū)高架橋使用預(yù)制拼裝技術(shù)創(chuàng)造了有利條件。因此，該工程橋梁結(jié)構(gòu)抗震體系推薦采用減隔震體系。

2.3 抗震概念設(shè)計(jì)

該工程橋梁結(jié)構(gòu)減隔震設(shè)計(jì)主要是通過在橋梁上、下部連接處采用減隔震裝置（如鉛芯橡膠支座），以改變、調(diào)整結(jié)構(gòu)的動力特性或動力作用，從而使橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下的損傷限制在容許的范圍內(nèi)，以確保橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性、可使用性和舒適性[5]。

該工程標(biāo)準(zhǔn)段下部結(jié)構(gòu)一般采用樁柱式倒T蓋梁橋墩，上部結(jié)構(gòu)推薦采用30 m的簡支小箱梁，橋面連續(xù)構(gòu)造，90～120 m一聯(lián)。小箱梁支座采用鉛芯隔震橡膠支座。

通過這些成熟的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造設(shè)計(jì)，該工程橋梁結(jié)構(gòu)具有明確、可靠的地震作用傳遞途徑，橋梁聯(lián)內(nèi)的剛度、質(zhì)量分布均衡，橋墩（臺）分擔(dān)的地震作用合理?？v向的倒T蓋梁及橫向的擋塊能提供有效的位移約束，避免橋梁發(fā)生落梁破壞。相鄰橋梁結(jié)構(gòu)之間預(yù)留了足夠的間距，可防止主體結(jié)構(gòu)在E2作用下發(fā)生地震碰撞。

3 預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)抗震性能驗(yàn)算

3.1 結(jié)構(gòu)布置

設(shè)計(jì)選取了25.5 m、17.5 m橋?qū)挊?biāo)準(zhǔn)段及8.5 m橋?qū)捚叫性训澜Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析驗(yàn)算。限于篇幅，以下以平行匝道為例論述[5]。

平行匝道斷面全寬8.5 m，單向雙車道，上部結(jié)構(gòu)采用小箱梁，2片邊梁，1片中梁，梁高1.6 m，箱梁頂做1.5%橫坡，箱梁底水平，每片梁端設(shè)置單支座J4Q 420×420（G1.0±75 mm）。小箱梁采用整孔預(yù)制吊裝。

平行匝道下部結(jié)構(gòu)采用倒T型蓋梁，寬8.24 m，高3.4 m，與預(yù)制梁外形保持一致。橋墩為1.8 m（橫橋向）×1.6 m（順橋向）單柱矩形墩。承臺尺寸為5.8 m×5.8 m×2.5 m，4根1.2 m鉆孔灌注樁。蓋梁與立柱工廠預(yù)制現(xiàn)場拼裝，承臺和樁基現(xiàn)場澆筑施工。圖2為標(biāo)準(zhǔn)橫斷面。

圖2 平行匝道標(biāo)準(zhǔn)橫截面（單位：mm）

3.2 動力特性分析

3.2.1 動力計(jì)算模型的建立

標(biāo)準(zhǔn)段動力特性分析采用有限單元方法，計(jì)算軟件采用MIDAS Civil，有限元計(jì)算模型均以順橋向?yàn)閄軸，橫橋向?yàn)閅軸，豎向?yàn)閆軸。

主梁、橋墩、承臺均離散為空間的梁單元；二期恒載采用分布質(zhì)量模擬；為了模擬樁土共同作用，對于承臺基礎(chǔ)，采用在承臺底中心加6×6的土彈簧來模擬。

為考慮邊聯(lián)橋的影響，在進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)，采用一聯(lián)三跨模型（見圖3）。

圖3 Midas計(jì)算模型

3.2.2 動力特性計(jì)算

根據(jù)建立的動力計(jì)算模型，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動力特性分析。表1列出了前4階振型的頻率和振型特征。圖4為第一階典型振型圖示。

表1 動力特性表

圖4 第一階：主梁橫向同向振動（T=1.119 s）

3.3 結(jié)構(gòu)抗震性能研究

3.3.1 線性反應(yīng)譜分析

反應(yīng)譜計(jì)算采用規(guī)范反應(yīng)譜。地震輸入組合為縱橋向和橫橋向。按《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 166—2011）[3]，平行匝道屬于規(guī)則橋梁，可以等效為單自由度體系，按單振型反應(yīng)譜方法進(jìn)行計(jì)算。 考慮鉛芯支座在低溫下會硬化，分兩種工況（考慮支座硬化1.6倍，控制墩柱受力以及不考慮支座剛度硬化，控制墩支座位移）進(jìn)行討論。計(jì)算墩高分別取H=4 m和H=8 m。計(jì)算得到：E2地震作用下墩底彎矩和支座位移（見表2）。

表2 墩柱和支座地震效應(yīng)

結(jié)果表明，E2狀態(tài)下，橋墩、基礎(chǔ)仍處于彈性狀態(tài)。

3.3.2 非線性時(shí)程分析

在50 a 2%的超越概率下，利用非線性時(shí)程分析方法，對非線性動力有限元模型進(jìn)行地震反應(yīng)分析。地震輸入組合為縱向和橫向。時(shí)程分析的最終結(jié)果，采用3組地震加速度時(shí)程計(jì)算時(shí)，取各組計(jì)算結(jié)果的最大值。非線性時(shí)程的結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表3和表4。

表3 橋墩非線性時(shí)程結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表4 支座非線性時(shí)程結(jié)果統(tǒng)計(jì)

從以上結(jié)果可知，反應(yīng)譜結(jié)果與時(shí)程結(jié)果吻合得較好，設(shè)計(jì)以反應(yīng)譜結(jié)果和時(shí)程結(jié)果的大值進(jìn)行了橋墩及下部結(jié)構(gòu)的截面驗(yàn)算，截面強(qiáng)度均滿足性能目標(biāo)要求。

3.4 與隔震設(shè)計(jì)相適應(yīng)的抗震構(gòu)造措施

根據(jù)上述抗震分析，在E2概率下，墩梁縱橫相對位移約為±10 cm。為此，橋梁結(jié)構(gòu)除了采用滿足抗震規(guī)范要求的構(gòu)造措施外，還需充分考慮結(jié)構(gòu)在E2地震作用下的位移。該工程設(shè)計(jì)的縱向梁間縫寬以及橫向擋塊間隙均設(shè)為10～12 cm，這樣就可確保減隔震支座在E2地震下能充分發(fā)揮作用，同時(shí)也避免了主梁滑落的危險(xiǎn)性，并減少震后的修復(fù)工作量。

另外，蓋梁內(nèi)側(cè)增設(shè)限位擋塊，以限制正常使用狀態(tài)下的橫向位移，該擋塊在E1地震下允許破壞。

3.5 抗震性能分析小結(jié)

綜上所述，通過采用縱向和橫向兩種地震輸入方式，并結(jié)合了反應(yīng)譜和非線性時(shí)程兩種分析方法，對橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行研究。研究表明：該工程橋梁結(jié)構(gòu)通過采用鉛芯橡膠支座等減隔震裝置，配合合理的結(jié)構(gòu)防落梁及碰撞等抗震構(gòu)造措施，主體結(jié)構(gòu)與橋墩、基礎(chǔ)等主要構(gòu)件能滿足抗震設(shè)防目標(biāo)。

4 預(yù)制拼裝構(gòu)造

4.1 拼裝連接工藝

預(yù)制拼裝橋墩連接構(gòu)造類型主要有：鋼絞線連接、灌漿套筒連接、灌漿波紋管連接、插槽式連接等。

該工程采用地震區(qū)應(yīng)用較多、較成熟的灌漿套筒連接。全灌漿鋼筋連接用套筒由連接套筒、鋼筋、高強(qiáng)砂漿（或稱灌漿料）、灌漿管、管堵、密封環(huán)、密封端蓋及密封柱塞組成（見圖5）。

圖5 全灌漿鋼筋連接用套筒組裝示意圖

該工程立柱頂、底伸出連接插筋與預(yù)制安裝端套筒相接?，F(xiàn)場安裝完畢后，進(jìn)行垂直度及相對位置調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后拼接面鋪設(shè)2 cm厚60 MPa砂漿墊層，最后對套筒采用快速安裝成套集成系統(tǒng)進(jìn)行100 MPa砂漿壓漿作業(yè)，完成整個(gè)拼裝工藝。

通過采用減隔震抗震設(shè)計(jì)方法，并沒有延性抗震及塑性鉸等問題，因此，該工程采用灌漿套筒連接的預(yù)制拼裝技術(shù)是安全可靠的。

4.2 拼接構(gòu)造改進(jìn)

（1）為避免連接套筒對立柱潛在塑性鉸開展位置的影響，本次套筒連接器分別設(shè)置在承臺及蓋梁內(nèi)，可確保預(yù)制拼裝立柱與現(xiàn)澆立柱的抗震性能一致性[5]。

（2）針對墩與承臺拼接縫的耐久性問題，根據(jù)墩身破壞特點(diǎn)，設(shè)計(jì)也提出了在承臺頂設(shè)凹槽等構(gòu)造改進(jìn)措施[5]。

5 預(yù)制拼裝橋墩抗震性能試驗(yàn)研究

為進(jìn)一步驗(yàn)證預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)在8度區(qū)的抗震性能，推動預(yù)制拼裝技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，現(xiàn)正在進(jìn)行縮尺模型驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)通過振動臺試驗(yàn)及擬靜力實(shí)驗(yàn)對預(yù)制拼裝橋墩及整體現(xiàn)澆橋墩的性能進(jìn)行對比，對預(yù)制拼裝橋墩的抗震性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。

6 結(jié)語

呼市地震基本烈度為8度，該工程為國內(nèi)首次在8度高震區(qū)下采用全預(yù)制拼裝技術(shù)。在高震區(qū)條件下，該工程主要采用了以下抗震設(shè)計(jì)方案：

（1）采用減隔震設(shè)計(jì)體系。采用減隔震設(shè)計(jì)后,在E2地震作用下，橋墩、樁基均保持彈性，沒有延性抗震及塑性鉸等問題，支座位移能力滿足要求。

（2）采用與隔震設(shè)計(jì)相適應(yīng)的抗震構(gòu)造措施。

（3）采用抗震性能可靠的預(yù)制拼裝連接構(gòu)造。

（4）后續(xù)驗(yàn)證性試驗(yàn)研究。

設(shè)計(jì)通過上述一系列的設(shè)計(jì)方案，確保了該工程采用的預(yù)制拼裝技術(shù)在高震區(qū)條件下的安全性、可使用性和舒適性。

[1]黃國斌，查義強(qiáng)．上海公路橋梁橋墩預(yù)制拼裝建造技術(shù)[J]．上海公路，2014（4）：1-5

[2]DG/TJ 08-2160—2015，預(yù)制拼裝橋墩技術(shù)規(guī)程[S]．

[3]CJJ 166——2011，城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[4]陶亞芬.城市高架橋梁抗震設(shè)計(jì) [J].中國市政工程，2013（2）：25-27.

[5]上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司．呼和浩特市昭烏達(dá)路哲里木路改造提升工程初步設(shè)計(jì) [R]．上海：上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，2017.

U442.5+5

B

1009-7716（2017）12-0052-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.015

2017-08-07

徐俊（1967-），男，上海人，高級工程師，從事橋梁工程設(shè)計(jì)工作。