高速鐵路(100+200+100)m連續(xù)梁-拱橋抗震性能分析

張 揚(yáng) 朱勇戰(zhàn) 蘇國(guó)明

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600)

1 引言

近年來(lái)我國(guó)發(fā)生多起大地震，均給當(dāng)?shù)亟煌ňW(wǎng)絡(luò)造成不同程度破壞，產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)損失，而橋梁工程又是交通網(wǎng)絡(luò)中的重要部分。綜合考慮鐵路橋梁工程的重要性及修復(fù)復(fù)雜的現(xiàn)狀，針對(duì)高烈度地區(qū)重要復(fù)雜橋梁，設(shè)計(jì)需要運(yùn)用減隔震技術(shù)，以提高橋梁的抗震能力[1]。結(jié)合目前國(guó)內(nèi)大跨度梁拱組合結(jié)構(gòu)橋梁抗震設(shè)計(jì)、減隔震設(shè)計(jì)均無(wú)規(guī)范可循的現(xiàn)狀，對(duì)其進(jìn)行抗震性能設(shè)計(jì)研究尤為重要。文章以徐宿淮鹽鐵路徐洪河特大橋(100+200+100)m連續(xù)梁-拱為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力特性及減隔震設(shè)計(jì)的分析研究，為高烈度地區(qū)類(lèi)似工程抗震設(shè)計(jì)提供參考[2-3]。

2 工程概況

徐宿淮鹽鐵路位于江蘇省北部，連接徐州、宿遷、淮安、鹽城四市，線路以橋梁形式通過(guò)郯廬斷裂影響帶，徐洪河特大橋位于該地震帶處，采用(100+200+100)m連續(xù)梁-拱一跨跨越徐沙河，立面布置見(jiàn)圖1。主梁采用單箱雙室、變高度、變截面預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系，邊跨和跨中直線段處梁高為6.0 m，中支點(diǎn)處梁高12.0 m。拱肋采用鋼管混凝土啞鈴型結(jié)構(gòu)，計(jì)算跨度L＝200 m，設(shè)計(jì)矢高40.0 m，矢跨比f(wàn)/L＝1/5。全橋共設(shè)置20組雙吊桿，順橋向間距9.0 m。

圖1 徐洪河特大橋立面布置(單位：cm)

每個(gè)橋墩支點(diǎn)處設(shè)置兩個(gè)支座，邊支座噸位12 500 kN，中支座噸位140 000 kN。各墩均采用圓端形實(shí)體墩，主墩墩高9.0 m，順橋向?qū)?.6 m，橫橋向長(zhǎng)19.4 m，交接墩墩高10.4 m，墩身順橋向?qū)?.5 m，橫橋向長(zhǎng)15.0 m。基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)為摩擦樁。主墩采用30根2.0 m樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)為90 m；交接墩采用15根1.5 m樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)為59 m。該橋具有深基坑、超長(zhǎng)群樁的特點(diǎn)。

橋址區(qū)地質(zhì)以粉質(zhì)黏土為主，不良地質(zhì)主要為飽和粉土、砂類(lèi)土的地震液化，特殊巖土為軟土、松軟土，設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮郯廬斷裂帶對(duì)橋梁工程的影響。根據(jù)徐宿淮鹽鐵路地震安評(píng)報(bào)告，橋位處場(chǎng)地50年超越概率63.2%(多遇地震)、50年超越概率10%(設(shè)計(jì)地震)、50年超越概率2%(罕遇地震)三種概率水準(zhǔn)的地震動(dòng)參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 場(chǎng)地水平向設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)(阻尼比為0.05)

3 動(dòng)力特性分析

采用大型計(jì)算分析軟件MIDAS Civil建立空間有限元模型，對(duì)全橋進(jìn)行動(dòng)力特性及抗震性能分析，全橋共計(jì)682個(gè)節(jié)點(diǎn)，622個(gè)單元。動(dòng)力計(jì)算時(shí)時(shí)主梁、拱肋、墩柱、承臺(tái)均采用梁?jiǎn)卧M，吊桿采用桁架單元模擬。計(jì)算將相鄰孔簡(jiǎn)支梁的自重、二期恒載以及活載轉(zhuǎn)化為集中質(zhì)量，施加于相應(yīng)位置，并將相鄰孔簡(jiǎn)支梁跨在連續(xù)梁拱側(cè)縱向全部設(shè)為活動(dòng)支座。在模擬樁-土作用中，將樁基礎(chǔ)視為彈性支承，在墩底作用六個(gè)方向的彈簧等代群樁作用，六個(gè)彈簧剛度分別是三方向的抗推剛度，繞豎軸的抗扭剛度和繞兩個(gè)水平軸的抗彎剛度，彈簧剛度數(shù)值根據(jù)“m”法確定[4-6]。計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

圖2 主橋空間計(jì)算模型

橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性是進(jìn)行其它一切動(dòng)力分析的基礎(chǔ)，其性能取決于橋跨結(jié)構(gòu)的組成體系、各構(gòu)件剛度、質(zhì)量分布以及支承條件等因素。分析結(jié)構(gòu)的自振特性是為了預(yù)計(jì)結(jié)構(gòu)自振頻率和估算結(jié)構(gòu)對(duì)預(yù)期激振的響應(yīng)，不致產(chǎn)生共振。主橋成橋狀態(tài)前六階的動(dòng)力特性見(jiàn)表2，振型圖見(jiàn)圖3。

表2 成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

圖3 成橋前六階振型圖

本橋前兩階振型均為拱肋橫彎，說(shuō)明本橋橫向剛度較小，是地震分析中重要關(guān)注點(diǎn)。橋梁基頻為0.361 Hz，屬于柔性拱橋頻率范圍，這與本結(jié)構(gòu)強(qiáng)梁弱拱的設(shè)計(jì)特性一致。主梁在第3階振型出現(xiàn)縱飄，面外振型出現(xiàn)在面內(nèi)振型之前，說(shuō)明本橋面外剛度小于面內(nèi)剛度。同時(shí)由于縱飄的出現(xiàn)，將產(chǎn)生很大的縱向水平力，而連續(xù)梁橋的水平力由制動(dòng)墩承擔(dān)，所以在抗震設(shè)計(jì)時(shí)制動(dòng)墩的設(shè)計(jì)應(yīng)該做設(shè)計(jì)的重點(diǎn)加強(qiáng)部位。拱肋在前6階振型中均為面外振型，可見(jiàn)拱肋的縱向剛度比橫向剛度偏大[7]。

4 抗震性能分析

4.1 抗震設(shè)防目標(biāo)及地震波的選擇

依據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50111-2006)，考慮本橋重要性，在罕遇地震作用下需保持橋梁結(jié)構(gòu)的基本通行功能，并滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)，本橋的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)按表3取用[8-9]。

表3 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防目標(biāo)

在結(jié)構(gòu)具體計(jì)算時(shí)取用原則為[10]:

(1)按多遇地震50年超越概率63.2%的地震動(dòng)參數(shù)檢算結(jié)構(gòu)物的強(qiáng)度，并考慮重要性系數(shù)1.5(水平地震動(dòng)峰值加速度Amax＝0.096g)。

(2)按照設(shè)計(jì)地震50年超越概率10%的地震動(dòng)參數(shù)驗(yàn)算上、下部結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造的位移(水平地震動(dòng)峰值加速度Amax＝0.340g)。

(3)按罕遇地震50年超越概率2%的地震動(dòng)參數(shù)對(duì)橋墩基礎(chǔ)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，按極限強(qiáng)度進(jìn)行控制設(shè)計(jì)(水平地震動(dòng)峰值加速度Amax＝0.580g)。

多遇地震作用下采用反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)構(gòu)響應(yīng)，設(shè)計(jì)地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜計(jì)算公式取為:

式中，Amax為設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度；β(T)為設(shè)計(jì)地震動(dòng)加速度放大系數(shù)反應(yīng)譜；T為反應(yīng)譜周期；βm為放大系數(shù)反應(yīng)譜最大值；T1為第一拐點(diǎn)周期；Tg為反應(yīng)譜特征周期。式中各參數(shù)的取值按表1取值。

時(shí)程分析采用地震安評(píng)報(bào)告給出的場(chǎng)地設(shè)計(jì)加速度時(shí)程曲線，計(jì)算時(shí)采用各設(shè)防水準(zhǔn)的三組時(shí)程曲線取其結(jié)果的平均值。不同水準(zhǔn)情況下時(shí)程曲線如圖4～圖6所示。

圖4 多遇地震作用下時(shí)程曲線

圖5 設(shè)計(jì)地震作用下時(shí)程曲線

圖6 罕遇地震作用下時(shí)程曲線

4.2 抗震體系比選

連續(xù)梁在縱向地震作用下存在固定墩受力過(guò)大問(wèn)題，高烈度地區(qū)強(qiáng)制要求大跨度結(jié)構(gòu)橋墩及其基礎(chǔ)滿足強(qiáng)度要求是不經(jīng)濟(jì)的，大跨度橋梁采用延性抗震設(shè)計(jì)發(fā)生的損傷又修復(fù)比較困難，而通常使用常規(guī)支座無(wú)法滿足抗震設(shè)防要求，采用減隔震設(shè)計(jì)可有效提供結(jié)構(gòu)優(yōu)化空間。

目前橋梁工程中常使用的減隔震技術(shù)主要分為兩類(lèi):一是采用減隔震支座延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期，從而減小地震反應(yīng)；二是采用阻尼器增加結(jié)構(gòu)的阻尼來(lái)耗散能量，以減小結(jié)構(gòu)的位移并提高橋墩的抗震性能。結(jié)合鐵路橋梁的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，本橋考慮采用雙曲面球型減隔震支座和液體粘滯阻尼器兩種減隔震措施進(jìn)行比選。

雙曲面球型減隔震支座在地震不發(fā)生的情況下，其功能與普通球型支座相同，可滿足橋梁的正常運(yùn)行時(shí)的位移及承載功能需求。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生后，其限位裝置剪斷，限位方向約束解除，發(fā)生滑動(dòng)，起到減隔震作用[11]。這類(lèi)支座通過(guò)增設(shè)平面摩擦副，使其在正常使用時(shí)不發(fā)生梁體抬高，地震時(shí)具備減隔震功能，同時(shí)地震后又具備自復(fù)位能力。雙曲面球型減隔震支座具有完備的減隔震功能、優(yōu)異的抗震性能、良好的耐久性能，已用于成蘭鐵路、寶蘭鐵路等多個(gè)鐵路項(xiàng)目中。

液體粘滯阻尼器其功能主要是為結(jié)構(gòu)提供附加剛度和阻尼，減小結(jié)構(gòu)響應(yīng)，產(chǎn)生的阻尼力與速度和溫度有關(guān)，安裝設(shè)置具有方向性，制作加工精度要求高。但其缺少自復(fù)位功能，要配合普通大噸位支座使用。液體粘滯阻尼器技術(shù)發(fā)展已較為成熟，滿足工程需要的各種不同參數(shù)的阻尼器在國(guó)內(nèi)外的重點(diǎn)橋梁工程中發(fā)揮著重要作用，如烏錫黃河鐵路大橋、舟山西喉門(mén)大橋等工程[12]。

徐洪河特大橋(100+200+100)m連續(xù)梁-拱時(shí)程分析時(shí)雙曲面球型減隔震支座通過(guò)采用摩擦擺單元模擬，計(jì)算時(shí)考慮地震作用下活動(dòng)支座滑動(dòng)摩擦效應(yīng)和雙曲面減隔震支座的非線性；粘滯阻尼器采用Midas有限元自帶的阻尼器單元進(jìn)行模擬。兩者計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 減隔震支座及阻尼器參數(shù)

針對(duì)本橋的減隔震措施比選制定了兩種方案:(1)設(shè)置雙曲面球型減隔震支座；(2)同時(shí)設(shè)置雙曲面球型減隔震支座與設(shè)置粘滯阻尼器。采用上述兩種方案分別對(duì)本橋進(jìn)行抗震分析，兩方案縱向和橫向地震力作用下內(nèi)力響應(yīng)結(jié)果見(jiàn)表5和表6。

表5 罕遇地震作用下(縱向力)墩底內(nèi)力響應(yīng)對(duì)比

表6 罕遇地震作用下(橫向力)墩底內(nèi)力響應(yīng)對(duì)比

由以上分析可見(jiàn)，罕遇地震作用下，采用雙曲面減隔震支座減隔震效果顯著，固定墩剪力減隔震率達(dá)72.0%～85.4%，彎矩減隔震率達(dá)88.9%～91.1%，采用減隔震支座明顯減小了固定墩縱橋向和各墩橫橋向地震內(nèi)力響應(yīng)，為橋墩和基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有利條件。但同時(shí)使用減隔震支座和粘滯阻尼器，與單獨(dú)使用減隔震支座方案相比，不論彎矩還是剪力的減震率并未有效改善。

表7提供了兩種減隔震方案在罕遇地震作用下支座位移量，設(shè)置阻尼器后支座位移量可以有效控制，但大跨度橋梁采用的阻尼器噸位過(guò)大，對(duì)阻尼器本身的安全性、可靠性提出更高的要求，并增加后期維修養(yǎng)護(hù)工作量及成本。結(jié)合本橋抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)——設(shè)計(jì)地震下檢算支座連接方式，本橋最終選擇的減震措施為采用雙曲面減隔震支座方案。需要注意的是采用雙曲面減隔震支座后，地震力作用下支座滑動(dòng)位移會(huì)變大，設(shè)計(jì)同時(shí)設(shè)置了緩沖彈塑性擋塊等抗震構(gòu)造措施來(lái)防止碰撞破壞、落梁等地震災(zāi)害的發(fā)生[13]。

表7 罕遇地震作用下支座位移對(duì)比 mm

4.3 各水準(zhǔn)下地震響應(yīng)分析

按照本橋設(shè)定的抗震設(shè)防目標(biāo)，以多遇地震下彈性設(shè)計(jì)，罕遇地震下的基本彈性設(shè)計(jì)為原則，對(duì)橋梁進(jìn)行各水準(zhǔn)作用下的地震響應(yīng)分析。

多遇地震作用下水平極限承載力的取值與橋梁的抗震設(shè)計(jì)水準(zhǔn)相關(guān)，綜合考慮基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，兼顧雙曲面減隔震支座剪力梢的更換頻率，以及后期維修養(yǎng)護(hù)成本，設(shè)計(jì)采用水平極限承載力0.7倍的多遇地震力，并考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.5。對(duì)多遇地震作用下分別采用反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法兩種計(jì)算方法分別計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)，內(nèi)力對(duì)比見(jiàn)表8。

表8 多遇地震作用下墩底內(nèi)力

可見(jiàn)，時(shí)程分析與反應(yīng)譜法的結(jié)果差異并不大，差值基本合理，場(chǎng)地地震波取值合理，僅有個(gè)別部位差異較大，這是因?yàn)闀r(shí)程分析地震波的選取相對(duì)具有一定的隨機(jī)性。運(yùn)用反應(yīng)譜分析法可以方便得出結(jié)構(gòu)彈性范圍內(nèi)的最大地震響應(yīng)值；時(shí)程法計(jì)算具有針對(duì)性，可根據(jù)具體場(chǎng)地條件更能真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)。因此，對(duì)大跨度連續(xù)梁-拱橋而言，多遇地震作用下的抗震分析可先通過(guò)反應(yīng)譜法進(jìn)行估算，再采用時(shí)程法進(jìn)行驗(yàn)算。

按照上述內(nèi)力結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)算，多遇地震作用下墩身最大鋼筋應(yīng)力為184.16 MPa，混凝土最大應(yīng)力為13.16 MPa；樁基礎(chǔ)鋼筋配筋率取為2.0%，樁基鋼筋最大應(yīng)力為-173.4 MPa，樁基混凝土最大應(yīng)力為12.4 MPa。結(jié)構(gòu)處于彈性階段，強(qiáng)度各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

設(shè)計(jì)地震作用下，對(duì)雙曲面球型減隔震支座進(jìn)行位移量分析，各墩順橋向與橫橋向位移均不超過(guò)28 cm，滿足制定的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)位移量要求。

罕遇地震作用下各墩順橋向和橫橋向內(nèi)力見(jiàn)表9，罕遇地震作用下墩身鋼筋最大應(yīng)力380.02 MPa，混凝土最大應(yīng)力為11.23 MPa，樁基礎(chǔ)鋼筋配筋率為2.0%，樁基鋼筋最大應(yīng)力為-335.5 MPa，樁基混凝土最大應(yīng)力為19.8 MPa。強(qiáng)度各項(xiàng)指標(biāo)滿足鋼筋及混凝土材料極限強(qiáng)度要求，符合本橋罕遇地震作用下抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)要求。

表9 罕遇地震作用下墩身內(nèi)力響應(yīng)

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)高烈度震區(qū)大跨連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)固定墩設(shè)計(jì)困難的問(wèn)題，對(duì)徐洪河特大橋制定了合理可行的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)橋梁進(jìn)行了動(dòng)力特性分析和減隔震技術(shù)方案比選。得出以下結(jié)論:

(1)徐洪河特大橋(100+200+100)m連續(xù)梁拱組合橋橫向剛度較小，屬于強(qiáng)梁弱拱結(jié)構(gòu)，主橋面外剛度小于面內(nèi)剛度，制動(dòng)墩設(shè)計(jì)是橋梁設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)。

(2)考慮結(jié)構(gòu)重要性并滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)，采用多遇地震下彈性設(shè)計(jì)，罕遇地震下基本彈性設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)地震保證結(jié)構(gòu)連接措施為結(jié)構(gòu)在三水準(zhǔn)作用下的抗震設(shè)防目標(biāo)。

(3)對(duì)采用雙曲面球型減隔震支座、液體粘滯阻尼器+雙曲面球型減隔震支座組合兩種減隔震方案進(jìn)行對(duì)比分析可知，采用雙曲面減隔震支座減震優(yōu)勢(shì)明顯，阻尼器的設(shè)置可有效減小地震力作用下的梁體位移。綜合抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)及后期維修養(yǎng)護(hù)成本，最終采用設(shè)置雙曲面減隔震支座方案進(jìn)行減震設(shè)計(jì)。