非對稱大跨徑剛構(gòu)橋抗震設(shè)計(jì)與分析

羅 霞

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 廣州 510507)

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋除具有保持連續(xù)梁橋行車平順、減少跨中正彎矩等優(yōu)點(diǎn)外，還因其具有不需進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換，便于懸臂施工，跨越能力更大，以及主墩不需設(shè)置支座等優(yōu)勢，在實(shí)際工程中被廣泛應(yīng)用。

連續(xù)剛構(gòu)將上部結(jié)構(gòu)與薄壁橋墩固結(jié)在一起，提高了結(jié)構(gòu)的整體性能，有利于結(jié)構(gòu)抗震，但也因此拒絕了各種減、隔震技術(shù)的使用[1]。因此，大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的抗震設(shè)計(jì)需要選擇較好的結(jié)構(gòu)體系，通過延性構(gòu)件的塑性變形來緩沖地震作用。另一方面，塑性鉸的出現(xiàn)使橋梁結(jié)構(gòu)的自振周期延長，地震反應(yīng)減小。

地震荷載是一種隨機(jī)的動(dòng)力荷載，目前確定性分析方法應(yīng)用較為廣泛，主要可以分為以下3類：①靜力法；②動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法；③反應(yīng)譜分析法。大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的地震反應(yīng)較為復(fù)雜，其高階振型的影響較為明顯，樁-土-結(jié)構(gòu)的相互作用比較復(fù)雜，其抗震設(shè)計(jì)相對較為困難。地震反應(yīng)分析應(yīng)采用反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法相互校核。采用反應(yīng)譜法進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)充分考慮高階振型的影響。當(dāng)用時(shí)程法計(jì)算時(shí)，可以輸入3條時(shí)程波，取3組計(jì)算結(jié)果的最大值，或是輸入7條時(shí)程波，取7組計(jì)算結(jié)果的平均值[2]。

本文結(jié)合某一非對稱連續(xù)剛構(gòu)橋的抗震設(shè)計(jì)，闡述連續(xù)剛構(gòu)橋型的抗震設(shè)計(jì)思路。

1 工程概述

某連續(xù)剛構(gòu)橋跨徑布置為60 m+95 m+150 m+90 m，其橋型布置見圖1。箱梁頂寬21.5 m、底寬14 m，采用單箱雙室截面，主墩采用雙薄壁實(shí)心墩，寬14 m、厚2.0 m。輔助墩采用板式實(shí)心墩，寬14 m、厚2.0 m。過渡墩采用雙柱板式空心墩，厚2.0 m。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，本橋址的地震動(dòng)峰值加速度為0.1g，反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。

圖1 橋型布置圖(單位：cm)

本橋采用50年10%(簡稱E1)和50年2.5%(簡稱E2)2種超越概率地震動(dòng)進(jìn)行抗震設(shè)防。要求橋墩、基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)重要受力構(gòu)件在E1作用下基本不發(fā)生損傷，結(jié)構(gòu)保持在彈性范圍工作；在E2作用下雖然局部可發(fā)生可修復(fù)的損傷，但要求地震發(fā)生后，不需要修復(fù)仍可維持車輛的通行。

2 動(dòng)力計(jì)算

2.1 模型建立

采用有限元分析軟件midas Civil 2015建立空間有限元模型，見圖2。

圖2 有限元模型

主橋的非線性動(dòng)力模型主要考慮了球形鋼支座的滑動(dòng)摩擦效應(yīng)。球型支座的摩擦效應(yīng)可近似采用理想彈塑性連接進(jìn)行模擬，其典型恢復(fù)力滯回模型見圖3。樁基采用《公路橋梁地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的土彈簧方法模擬樁-土相互作用。

圖3 球型鋼支座簡化滯回模型

根據(jù)JTG/T B02-01-2008 《公路橋梁抗震細(xì)則》 的規(guī)定和本橋特點(diǎn)，采用時(shí)程分析法和反應(yīng)譜法進(jìn)行對比校核。3條隨機(jī)相位的水平向地震動(dòng)加速度時(shí)程是通過人造地震動(dòng)的合成技術(shù)擬合場地設(shè)計(jì)地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜及強(qiáng)度包絡(luò)函數(shù)合成的，計(jì)算結(jié)果取3組計(jì)算結(jié)果的最大值。

2.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)

結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性與其自身質(zhì)量、剛度和邊界條件等相關(guān)，是結(jié)構(gòu)的固有特性。

表1 結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性

表1列出了前10階的頻率和振型特征。通過對橋梁自振頻率和振型的分析可知，全橋的前幾階振型以縱彎和橫彎為主。本橋主墩墩高在25 m以內(nèi)，橋墩相對較剛性，第2階模態(tài)為主橋整體縱彎，振型參與質(zhì)量達(dá)到40%，周期為1.47 s。第6階模態(tài)為主梁橫彎，振型參與質(zhì)量達(dá)到52%，周期為0.87 s。

由振型特征可看出，本橋的非對稱性較為顯著，小樁號(hào)側(cè)過渡墩振型較早出現(xiàn)。說明過渡墩剛度較弱，主墩縱向剛度比橫向剛度較弱，在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)考慮主墩的縱橋向抗彎設(shè)計(jì)和過渡墩抗彎設(shè)計(jì)。對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)貢獻(xiàn)較大的前10階模態(tài)的周期均大于0.6 s，相比較實(shí)際橋位處的0.35 s 的場地特征周期已經(jīng)高出不少，在一般地震作用下發(fā)生共振的可能性比較小，該設(shè)計(jì)方案整體上具有良好的抗震性能。

由于篇幅有限，僅列舉E2地震下的時(shí)程分析法的計(jì)算結(jié)果，見表2。各截面采用ucfyber計(jì)算彎矩-曲率曲線，主墩的模型及彎矩-曲率曲線見圖4，圖5。

表2 墩柱關(guān)鍵截面E2地震內(nèi)力

注：三角形表示彎矩-曲率曲線的完全方向

圖5 主墩縱橋向彎矩-曲率曲線

E2地震作用下，主墩、過渡墩及輔助墩均處于彈性狀態(tài)，截面彎矩均小于等效屈服彎矩；E1地震作用下，各截面均未進(jìn)入首次屈服狀態(tài)。因本橋地震烈度不算高，墩高較矮，靜力作用下裂縫寬度控制設(shè)計(jì)，地震作用不起控制作用。

3 影響因素對比分析

3.1 樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用

對比樁-土作用對結(jié)構(gòu)的影響，建立2個(gè)模型，模型I假設(shè)地基剛性，墩底進(jìn)行固結(jié)處理。模型II利用“m”法計(jì)算水平抗力系數(shù)，考慮樁在土中的空間分布和群樁效應(yīng)。根據(jù)計(jì)算得到的土彈簧剛度，將各單個(gè)樁基按同樣的方式集中為若干個(gè)質(zhì)點(diǎn)，利用midas 中節(jié)點(diǎn)彈性支承施加于質(zhì)點(diǎn)上以模擬樁-土相互作用[4-5]。模型I與模型II的前10階振型沒有太大變化，僅周期有所變化，圖6為前10階模態(tài)的周期對比表。

圖6 模態(tài)對比表

由圖6可得以下結(jié)論：考慮樁-土相互作用后，模型II主要振型的自振周期略長，這是由于樁-土相互作用使結(jié)構(gòu)整體剛度變小。自振周期增大對于大跨連續(xù)剛構(gòu)橋有一定影響。本橋模型II主墩縱橋向彎矩比模型I小17%，橫橋向影響較小，約2%。

3.2 沖刷深度影響

在計(jì)算土彈簧剛度時(shí)，考慮河床的一般沖刷為2.4 m，考慮河床沖刷后結(jié)構(gòu)周期略有增大，主梁一階縱飄周期從1.46 s變?yōu)?.52 s，縱向地震作用下橋墩彎矩減少8%，樁基彎矩減少32%，橫橋地震作用下主墩彎矩減小6%，樁基彎矩減少25%。通過計(jì)算得到結(jié)論：考慮河床一般沖刷后，主墩及樁基內(nèi)力均減小。但對于靜力而言，考慮沖刷后計(jì)算長度增加，結(jié)構(gòu)裂縫計(jì)算需求將增大。

3.3 支座橫向約束影響

根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算理論，在地震作用下，當(dāng)過渡墩和輔助墩的鋼球支橫橋向發(fā)生剪斷破壞時(shí)，橫向荷載將全部由主墩承擔(dān)。建立2個(gè)模型，假設(shè)地震響應(yīng)下，模型A支座橫向未被剪斷，模型B支座橫向被剪斷。模型B的前10階模態(tài)見表3。對比表1和表3可知，橫向約束剪斷后，結(jié)構(gòu)周期增長，橫向剛度減弱，主梁一階縱飄的周期變化很小，主梁整體側(cè)彎的周期由0.805 s 增大至1.014 s。對比2組模型的橋墩內(nèi)力可得，支座橫向剪斷后，主墩橫向彎矩增加了7%。本橋?yàn)殡p肢薄壁墩，主墩橫橋向剛度大，橋墩橫橋向富余度高，橋墩仍處于彈性狀態(tài)。但對于橫向剛度小的雙柱式主墩或?qū)挾容^窄的薄壁墩來說，橫向支座剪斷導(dǎo)致主墩橫向內(nèi)力的增加不容忽視，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以重視。

表3 模型B動(dòng)力特性

4 結(jié)論

1) 常用的抗震設(shè)計(jì)方法主要有延性設(shè)計(jì)和減隔震設(shè)計(jì)，對于剛構(gòu)橋梁，延性設(shè)計(jì)是較常用的設(shè)計(jì)方法。當(dāng)?shù)卣鹆叶炔惶撸崭咻^矮時(shí)，靜力裂縫計(jì)算可能起到控制作用，可采用彈性設(shè)計(jì)。當(dāng)?shù)卣鹆叶容^高，墩高較高時(shí)，建議通過延性構(gòu)件的塑性變形來提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

2) 考慮結(jié)構(gòu)樁-土相互作用使結(jié)構(gòu)整體剛度變小，自振周期增大，對于大跨連續(xù)剛構(gòu)橋有較大影響。

3) 考慮河床沖刷后，動(dòng)力作用下主墩及樁基內(nèi)力降低。但對于靜力作用而言，考慮沖刷后計(jì)算長度增加，結(jié)構(gòu)裂縫計(jì)算需求將增大。

4) 對于雙肢薄壁墩，主墩橫橋向剛度較大，邊墩橫向約束剪斷對主墩影響較小，內(nèi)力增加約7%左右，橋墩仍處于彈性狀態(tài)。但在橫向剛度較小的橋墩設(shè)計(jì)時(shí)仍應(yīng)予以重視。