地震高烈度地區(qū)全預(yù)制拼裝立交橋梁抗震設(shè)計

朱 釗

（1.上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200125；2.上海工業(yè)化裝配化市政工程技術(shù)研究中心，上海市 200125）

1 工程概況

本項目位于中新天津生態(tài)城中部，濱海航母公園北側(cè)，力高地塊西側(cè)。工程為對現(xiàn)狀航海道跨海濱大道橋梁功能進(jìn)行完善，實施西向北（WN）、北向西（NW）兩條匝道，滿足由航海道進(jìn)出力高地塊的需求，見圖1。

圖1 工程平面布置圖

其中，新建WN匝道全長約705m，NW匝道全長約315 m。匝道橋梁主要采用簡支小箱梁結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)跨徑為20m和25m，橋面連續(xù)，小箱梁梁高均采用1.4m；兩處跨越海濱大道采用連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)形式，其中NW匝道中鋼箱梁跨徑布置為（38+38+35.602）m，WN匝道重鋼箱梁跨徑布置為（40.441+2x34）m，鋼箱梁梁高 1.8m，見圖 2。

2 橋梁全預(yù)制拼裝方案

圖2 匝道標(biāo)準(zhǔn)斷面圖（單位：mm）

為加快工程進(jìn)度，減少對交通影響，本項目橋梁工程采用了全預(yù)制拼裝方案，是天津地區(qū)首個采用預(yù)制拼裝的立交工程。除上部結(jié)構(gòu)采用裝配式小箱梁和連續(xù)鋼箱梁外，下部結(jié)構(gòu)采用了通過灌漿套筒連接的預(yù)制拼裝橋墩形式，蓋梁及立柱在工廠預(yù)制和養(yǎng)護(hù)，施工現(xiàn)場僅進(jìn)行吊裝及套筒灌漿工作，見圖3。

圖3 下部結(jié)構(gòu)拼裝示意圖

3 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)及性能目標(biāo)

本工程為城市主干路，根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》（CJJ 166—2011）[1]相關(guān)規(guī)定，本工程擬建場地屬I V類建筑場地，地震基本烈度8度，設(shè)計基本地震加速度為0.20g；橋梁抗震設(shè)防類別為丙類，E1地震作用下抗震重要性系數(shù)取0.46，E2地震作用下重要性修正系數(shù)2.0。

天津地區(qū)位于地震高發(fā)帶，地震基本烈度較高，采用常規(guī)的抗震加強手段難以滿足設(shè)計需求。根據(jù)前期研究比選，本工程橋梁擬采用減隔震設(shè)計，根據(jù)天津市地震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)《天津市市政公路橋梁減隔震設(shè)計規(guī)程》（DB 29-233—2015），本工程設(shè)防類別為C類，橋梁主要構(gòu)件的性能目標(biāo)設(shè)定見表1。

表1 橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

4 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)計加速度反應(yīng)譜見圖4。

圖4 E1、E2水準(zhǔn)水平向設(shè)計加速度反應(yīng)譜

根據(jù)試算結(jié)果，結(jié)構(gòu)在E1狀態(tài)下就將進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，故根據(jù)規(guī)范要求，依據(jù)E1及E2設(shè)計反應(yīng)譜分別生成了三條人工時程波見圖5。

圖5 E2水準(zhǔn)人工地震時程波

5 地震反應(yīng)分析

通過比選最不利計算聯(lián)，利用M id a s C i v i l 2015軟件建立WN匝道P5-P16段結(jié)構(gòu)動力特性和地震反應(yīng)分析的三維有限元模型。其中分別包含了連續(xù)鋼箱梁及小箱梁標(biāo)準(zhǔn)段。全線支座均采用鋼阻尼減震球型支座，通過一般鏈接單元模擬，在單元屬性中分別輸入彈性支座的線性剛度和非線性剛度。有限元計算模型見圖6。

圖6 抗震計算模型（含邊界聯(lián)）

采用E1和E2兩種概率水平、阻尼比為5%的設(shè)計反應(yīng)譜對該橋進(jìn)行抗震性能分析。E1水準(zhǔn)地震首先采用彈性反應(yīng)譜法計算，倘若支座水平承載力不滿足要求，再采用設(shè)計反應(yīng)譜生成的人工時程波進(jìn)行非線性時程分析；E2水準(zhǔn)下由于支座進(jìn)入非線性狀態(tài)，直接采用設(shè)計反應(yīng)譜生成的人工時程波進(jìn)行非線性時程分析。反應(yīng)譜法計算采取前500階進(jìn)行組合，振型組合方式為C Q C，非線性時程采用振型積分法。

6 橋梁減隔震設(shè)計方案

由于本項目位于地震高烈度地區(qū)，常規(guī)的抗震手段已不能夠滿足結(jié)構(gòu)的安全需要，應(yīng)采用合適的減隔震措施。經(jīng)過試算比選，對于本工程而言，摩擦擺支座及鉛芯橡膠支座都面臨地震位移過大的問題，采用彈塑性鋼減震支座較為合適。

彈塑性鋼減震支座是常規(guī)球鋼支座并聯(lián)鋼阻尼器制成，支座承載力較大，耗能能力較大，位移能力及鋼阻尼器的阻尼力可以根據(jù)工程需要進(jìn)行特殊設(shè)計。在地震烈度較高的地區(qū)，采用常規(guī)的減隔震措施往往會面臨地震位移較大的問題，采用彈塑性鋼減震支座，可以通過對鋼阻尼器的參數(shù)比選，在充分利用結(jié)構(gòu)強度的前提下，有效控制支座在強震作用下的地震位移，因此本工程采用彈塑性鋼減震支座作為減隔震措施，見圖7。

圖7 彈塑性鋼減震支座示意圖

根據(jù)參數(shù)計算比選，對于彈塑性鋼減震支座的參數(shù)選取如下：

支座本體水平承載力不小于豎向承載力的15%；支座轉(zhuǎn)角：0.02 r a d，剪力銷剪斷力為豎向承載力的10%；鋼阻尼器屈服力為豎向承載力的5%，鋼阻尼器屈后剛度比：0.05；等效阻尼比：35%；阻尼位移：±100mm；低周疲勞次數(shù)：不小于30。

7 P7-P10連續(xù)鋼箱梁抗震分析

（1）E1水準(zhǔn)地震響應(yīng)計算

假設(shè)結(jié)構(gòu)所有主要受力構(gòu)件全部正常工作，支座地震反應(yīng)見表2。

表2 鋼箱梁E1水準(zhǔn)下支座地震反應(yīng)

固定墩P9墩支座在E1水準(zhǔn)地震作用下縱向剪力超過了支座縱向限位力，支座縱向被剪斷。所有的支座在E1水準(zhǔn)地震作用下的橫向剪力基本都超過支座橫向水平限位力，支座橫向被剪斷。因此可判定，計算聯(lián)在E1水準(zhǔn)下已經(jīng)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，需進(jìn)行非線性時程分析。

根據(jù)E1水準(zhǔn)下非線性時程分析計算，支座地震反應(yīng)見表3。

表3 鋼箱梁E1水準(zhǔn)下支座地震響應(yīng)

由表3可知，在E1水準(zhǔn)地震作用下，P7-P10聯(lián)的各減隔震支座位移均在設(shè)計容許位移之內(nèi)，滿足性能要求。

（2）E2水準(zhǔn)地震響應(yīng)計算

根據(jù)E2水準(zhǔn)下非線性時程分析計算，支座地震反應(yīng)見表4。

表4 鋼箱梁E2水準(zhǔn)下支座地震反應(yīng)

可知，在E2水準(zhǔn)地震作用下，由于滑動墩自身也會產(chǎn)生振動，P7-P10聯(lián)的滑動墩縱向支座位移略微超出容許位移，但是超出幅度并不大，考慮到橋梁上另外設(shè)置了彈塑性限位裝置，當(dāng)支座位移接近容許值時，限位裝置也將發(fā)揮協(xié)同作用，主梁基本不會產(chǎn)生落梁風(fēng)險，因此可以認(rèn)為滿足性能要求。

（3）結(jié)構(gòu)強度驗算：

對于采用套筒連接的預(yù)制拼裝立柱，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)證實[2，3]，其抗震性能與相同配筋的現(xiàn)澆立柱基本一致，因此在抗震計算中可以采用與現(xiàn)澆立柱同樣的驗算方案。

本工程采用纖維單位對鋼筋混凝土立柱進(jìn)行截面分析，各墩控制斷面E2水準(zhǔn)地震的驗算結(jié)果見表 5、表 6。

可知，在該工況下，支座進(jìn)入彈塑性狀態(tài)后，各橋墩均處于彈性，滿足該工況下抗震性能目標(biāo)的要求。

表5 單柱控制截面能力與需求驗算（E2縱向）

表6 單柱控制截面能力與需求驗算（E2橫向）

8 P10-P12橋面連續(xù)簡支小箱梁抗震分析

（1）小箱梁減隔震方案

對于采用小箱梁結(jié)構(gòu)形式的高架橋梁減隔震設(shè)計，一般是采用高阻尼橡膠支座或者超高阻尼橡膠支座進(jìn)行簡單隔震。

本工程位于抗震8度區(qū)，地震烈度較高，經(jīng)過試算，地震位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了橡膠支座的容許位移。因此本工程中小箱梁也同樣采用彈塑性鋼減震支座作為主要減隔震措施，并且小箱梁采用兩跨一聯(lián)的跨徑布置，減小單聯(lián)的上部質(zhì)量。

（2）E1水準(zhǔn)地震響應(yīng)計算

假設(shè)結(jié)構(gòu)所有主要受力構(gòu)件全部正常工作，支座地震反應(yīng)見表7。

表7 小箱梁E2水準(zhǔn)下支座地震反應(yīng)

可知，小箱梁固定墩P13墩支座在E1水準(zhǔn)地震作用下剪力同樣超過了支座限位力，支座縱向被剪斷。因此可判定，在高烈度地震地區(qū)，橋梁支座在E1水準(zhǔn)下已經(jīng)就已經(jīng)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，需進(jìn)行非線性時程分析。

根據(jù)E1水準(zhǔn)下非線性時程分析計算，支座地震反應(yīng)見表8。

表8 小箱梁E1水準(zhǔn)下支座地震響應(yīng)

由表8可知，在E1水準(zhǔn)地震作用下，P7-P10聯(lián)的各減隔震支座位移均在設(shè)計容許位移之內(nèi)，滿足性能要求。

（3）E2水準(zhǔn)地震響應(yīng)計算

根據(jù)E2水準(zhǔn)下非線性時程分析計算，支座地震反應(yīng)見表9。

表9 小箱梁E2水準(zhǔn)下支座地震響應(yīng)

與鋼箱梁類似的，在E2水準(zhǔn)地震作用下，P12-P12聯(lián)的支座位移略微超出容許位移，當(dāng)支座位移接近容許值時，限位裝置也將發(fā)揮協(xié)同作用，主梁基本不會產(chǎn)生落梁風(fēng)險，可以認(rèn)為滿足性能要求。

9 結(jié) 語

本工程是首個地震高烈度地區(qū)的全預(yù)制拼裝立交工程，經(jīng)過計算分析可見，在高烈度地區(qū)，要求E1水準(zhǔn)下仍保持全橋彈性是不現(xiàn)實的。

通過綜合考慮，全橋采用了基于彈塑性鋼減震支座的減隔震設(shè)計，輔助以抗震墊塊塊、連梁拉索等抗震構(gòu)造措施，通過合理的參數(shù)比選，在經(jīng)濟合理的前提下，最大限度的優(yōu)化了全橋的抗震性能，減輕了橋梁結(jié)構(gòu)的地震破壞。