近斷層地震區(qū)鐵路鋼桁拱橋抗震性能和對策研究

龐 林 曾永平 陳克堅 劉力維 董 俊

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

圖1 列衣上承式鋼桁拱橋示意圖(m)

巴塘站附近的列衣大橋，處于Ⅷ度區(qū)，地震動峰值加速度0.20 g，段內(nèi)無明顯斷裂通過，最近的斷裂距離橋址約500 m。區(qū)內(nèi)地面標高 3 473～3 663 m，跨越德曲河，相對高差190 m，自然坡度22°～59°，兩岸局部可見基巖出露，交通條件一般。在該區(qū)域建橋主要面臨高海拔和超高烈度地震的挑戰(zhàn)，由于地震之后檢查及修復極度困難，因此對擬建橋梁抗震性能要求較高。

鋼桁拱橋具有以下特點：(1)技術(shù)成熟，跨徑300 m的鋼桁拱橋國內(nèi)已實施了幾十座，施工技術(shù)非常成熟；(2)豎向剛度大，對高速鐵路具有很強的適應(yīng)性；(3)桿件相對較輕，制造、運輸、架設(shè)和后期維修相對容易；(4)抗震性能較好，跨度490 m的怒江大橋亦采用該橋式,基本地震烈度Ⅷ，但為遠場地震。

根據(jù)陳麗軍等人[1]的研究結(jié)果，上承式鋼桁拱橋在高烈度地震區(qū)具有良好的適應(yīng)性，故推薦列衣大橋采用上承式鋼桁拱橋方案。目前，針對鋼桁拱橋抗震性能的相關(guān)研究主要集中在不同減隔震措施的減震效果、參數(shù)優(yōu)化設(shè)計和行波效應(yīng)影響等方面[2-5]。趙燦輝等人[6]的研究表明，拱腳是上承式鋼桁拱橋的危險部位，行波效應(yīng)顯著增大了拱肋應(yīng)力，支座布置方式顯著影響拱肋內(nèi)力。李程等人[7]采用ANSYS中的零階優(yōu)化方法對武廣客運專線1座鋼桁拱橋的鉛芯橡膠支座進行優(yōu)化設(shè)計,指出支座的屈后剛度比對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)有重要影響。楊華平等人[8]研究了行波效應(yīng)對上承式鋼桁拱橋的影響，研究結(jié)果表明，行波效應(yīng)對大跨度拱橋地震響應(yīng)影響很大，但行波地震響應(yīng)與波速間不存在單調(diào)變化關(guān)系，為保證設(shè)計安全性，應(yīng)根據(jù)工程場地情況選取多種剪切波速計算行波效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響。張永亮等人[9]針對有推力鋼桁拱橋，對比研究了速度鎖定裝置、粘滯液體阻尼器以及BRB防屈曲支撐的減隔震效果。田玉玲[10]對采用摩擦擺支座的城市大跨度鋼桁拱橋的抗震體系和抗震性能評價進行了研究，結(jié)果顯示摩擦擺支座具有良好的減隔震效果。

本文以列衣上承式鋼桁拱橋方案為分析對象，對近斷層地震區(qū)鋼桁拱橋的地震響應(yīng)規(guī)律和抗震設(shè)防措施進行研究。

1 工程概況及動力分析模型

列衣大橋位于直線上，平坡。推薦采用主跨 280 m鋼桁拱橋，矢跨比4.29。拱肋采用Q420耐候鋼，聯(lián)結(jié)系采用Q345qD。拱上立柱采用鋼桁架，立柱間距37.5 m，交界墩采用混凝土橋墩。橋面采用結(jié)合梁，混凝土板厚35 cm。拱頂桁高6 m，橫向間距9 m，拱腳桁高10 m，橫向間距20 m。拱肋截面尺寸1.8 m×2.0 m。主橋跨徑為(8×37.5) m連續(xù)梁布置，在主梁和鋼立柱接處布有4個支座，用于支撐主梁重量。主橋左側(cè)引橋布置形式為(24.7×2+32.7)m簡支結(jié)合梁，右側(cè)引橋布置形式為(2×32.7) m簡支疊合梁形式，立面示意如圖1所示。按照地震區(qū)劃，本橋設(shè)計地震峰值加速度0.20 g，周期0.45 s，屬近場地震。

采用有限元軟件Midas/Civil建立分析模型。對于近斷層橋梁，本文在3組貼合規(guī)范反應(yīng)譜的遠場地震波基礎(chǔ)上，又根據(jù)橋址場地類型及與斷層的距離等在實測地震動數(shù)據(jù)庫中選擇了7組近斷層地震波進行研究，近斷層地震波剪切波速 278～487 m/s，斷層距0.3～19.8 km，均為Ⅱ類場地波?？紤]到大跨度橋梁的重要性及近斷層地震的危險性，建議近斷層地震區(qū)大跨度鐵路鋼桁拱橋按兩階段設(shè)計方法，在我國GB 50111-2006《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》的基礎(chǔ)上將設(shè)防目標提高一級，即“中震不壞、大震可修”。

2 上承式鋼桁拱橋地震響應(yīng)規(guī)律

2.1 近場地震動影響

近斷層地震動卓越周期大，且通常具有速度大脈沖，對橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)影響較大。對比采用遠場地震動的分析結(jié)果(如圖2所示)，近場地震動作用下，鋼桁拱橋主要構(gòu)件應(yīng)力增加40%～60%，對鋼立柱及拱肋弦桿影響大。次要構(gòu)件增加40%～80%，其中對拱肋平聯(lián)橫桿影響最大。拱腳弦桿、拱頂弦桿和跨中鋼立柱等多處發(fā)生屈服，最大應(yīng)力需求達790 MPa，需采取減隔震措施。

圖2 近/遠場地震響應(yīng)對比圖(罕遇)

2.2 豎向地震動影響

近斷層地震動豎向分量較大，為研究其對鋼桁拱橋的影響，將豎向地震動峰值加速度由水平向的0.65倍調(diào)整至1.0倍，即取罕遇地震動峰值加速度為0.38 g。對比各構(gòu)件應(yīng)力的增大比率發(fā)現(xiàn)，拱頂下弦桿應(yīng)力增加幅度最大，為46.3 MPa，應(yīng)力增大比率為9.5%。應(yīng)力增大比率最大值出現(xiàn)在斜腹桿處，最高達69.5%。絕大多數(shù)桿件應(yīng)力變化比率在20%以內(nèi)，拱橋最大應(yīng)力仍出現(xiàn)在拱腳處，最大應(yīng)力增大約26 MPa。

2.3 地震行波效應(yīng)影響

列衣橋鋼桁拱方案主跨280 m，剪切波速范圍為250～500 m/s。為分析行波效應(yīng)對橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，采用相對運動法(RMM)對列衣大橋進行多點激勵線性時程分析。兩橋墩(或拱腳)的地震波 “到達時間”差設(shè)置為0.3 s、0.6 s、0.9 s和1.2 s，行波效應(yīng)影響如圖3所示。由圖3可以看出，除拱頂下弦桿、拱底上弦桿的最大應(yīng)力高于一致加載結(jié)果(大于10%)外，其余位置桿件的最大應(yīng)力均增加不大。在多點激勵抗震分析中，相位差效應(yīng)的影響同結(jié)構(gòu)自振周期與地震波卓越周期的大小關(guān)系以及場地剪切波速有一定的相關(guān)性。若橋址場地條件較好，多點激勵對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響并不十分顯著。此外，非同步激勵使大跨度拱橋地震響應(yīng)顯著變化的主要影響因素并不是擬靜力作用，而是對稱振型，這是造成拱頂應(yīng)力變化的主要原因。

圖3 行波效應(yīng)影響圖

3 上承式鋼桁拱橋抗震對策研究

3.1 減震限位裝置優(yōu)化設(shè)計

在不采取減隔震措施時，拱橋最大應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂處且部分桿件出現(xiàn)嚴重應(yīng)力屈服。這主要是由主梁地震力傳遞到下部結(jié)構(gòu)時分配不合理所致，為此合理設(shè)計減震限位裝置參數(shù)就顯得尤為重要?？紤]鐵路耐久性要求，擬采用球型鋼支座配合減震限位裝置(鋼阻尼器)[11]的減隔震方式，布置方式如圖4所示。在罕遇地震作用下，支座固定約束方向的銷釘剪斷后成為活動支座。

圖4 減隔震措施布置圖

建立簡化模型，如圖5所示。主梁為連續(xù)梁，假定為剛體，交界墩兩側(cè)為簡支梁，假定為質(zhì)量塊。支座摩擦系數(shù)取0.02，并考慮減震限位裝置間隙和彈性剛度，鋼立柱與減震限位裝置及支座串聯(lián)組成聯(lián)合抗側(cè)推體系。

圖5 簡化計算模型圖

根據(jù)抗震設(shè)計規(guī)范，主梁地震力:

Ex=1.5Ag×md-ΣμRa

(1)

式中:Ex——順橋向固定端的水平地震力(kN)；

Ag——地震動峰值加速度(m/s2)；

md——梁和橋面的質(zhì)量(t)；

u——活動支座的摩擦系數(shù)；

Ra——活動支座反力(kN)。

由計算可知，溫度變形引起的支座相對位移最大為10.5 mm，故初步擬定減震限位裝置間隙為20 mm，以滿足正常使用時，減震限位裝置不產(chǎn)生溫度次內(nèi)力的要求。將各鋼立柱上的減震限位裝置剛度設(shè)為優(yōu)化變量，初始值取20.2 kN/mm。將最小化各鋼立柱柱底彎矩方差作為優(yōu)化目標。迭代優(yōu)化變量，結(jié)果如表1所示。

表1 減隔震裝置優(yōu)化設(shè)計

采用優(yōu)化后的減隔震設(shè)計方案進行全橋非線性動力時程分析，結(jié)果如表2所示。

表2 減隔震效果(罕遇地震)表

由表2可以看出，采取減震限位裝置后，幾乎所有構(gòu)件的應(yīng)力包絡(luò)值均有所降低。其中，鋼立柱、拱頂上弦桿和鋼立柱帽梁的減震效果明顯，罕遇地震動作用下，減震率可達63%～81%。此時，最大支座位移為296 mm，且減震限位裝置未達到其極限承載能力，滿足抗震設(shè)防目標要求。

3.2 拱腳應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計

經(jīng)減隔震設(shè)計后，拱腳桿件應(yīng)力仍然較大，不滿足抗震設(shè)計要求，增加拱腳桿件尺寸是最常見的解決方案之一。然而拱腳桿件尺寸增大后，其剛度也相應(yīng)增大，其臨近弦桿的應(yīng)力又會超出限值，如此惡性循環(huán)會導致截面過大，經(jīng)濟性不高。拱腳優(yōu)化設(shè)計方案如表3所示，優(yōu)化后拱腳處應(yīng)力如表4所示。

表3 拱腳優(yōu)化設(shè)計方案表

表4 優(yōu)化后拱腳處應(yīng)力比較表

由表3、表4可以看出，拱腳弦桿板厚由5 cm增大至8 cm，近拱腳桿件截面尺寸由2.0 m×1.8 m增大至2.2 m×2.0 m，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力位置由拱腳下弦1號桿轉(zhuǎn)移至近拱腳下弦3號桿，最大應(yīng)力由497 MPa降低至391 MPa，但仍不能滿足抗震設(shè)計要求。因此，調(diào)整設(shè)計思路，首先在拱腳處下弦桿鋼箱內(nèi)灌注混凝土，以期能顯著降低拱腳處應(yīng)力水平。其次考慮到鋼立柱的應(yīng)力水平較低，部分立柱最大應(yīng)力僅121 MPa，具有較大富余度，可通過減小鋼立柱截面尺寸來減輕上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量，進而起到降低地震響應(yīng)的效果。增大拱腳處構(gòu)件尺寸和灌注混凝土對結(jié)構(gòu)自振特性的影響如表5所示。

表5 增大構(gòu)件尺寸及灌注混凝土對結(jié)構(gòu)自振特性的影響表

由表5可以看出，調(diào)整局部構(gòu)件尺寸對結(jié)構(gòu)整體自振特性的影響并不明顯。采用拱腳灌注混凝土方案后，拱腳應(yīng)力由497.3 MPa降低至331.8 MPa，近拱腳下弦桿應(yīng)力由356.8 MPa降低至341.2 MPa，均滿足容許應(yīng)力要求。根據(jù)CECS 159-2004《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，對拱腳鋼管混凝土承載力進行驗算，結(jié)果如表6所示。

可見拱腳鋼管混凝土截面承載也能滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

本文針對列衣大橋上承式鋼桁拱橋方案的近斷層地震響應(yīng)規(guī)律和抗震設(shè)防對策進行了研究。首先分析了具有長周期及大脈沖特性的近場地震動、高豎向地震動分量和地震行波效應(yīng)對鋼桁拱橋地震響應(yīng)的影響；然后結(jié)合列衣大橋抗震特點，考慮溫度變形影響和摩擦力作用，針對選用的減震限位裝置提出優(yōu)化設(shè)計方法和參數(shù)，并分析了所達到的減震限位效果；最后對仍不能滿足抗震設(shè)計要求的桿件進行截面優(yōu)化設(shè)計，提出在拱腳位置灌注混凝土的解決方案，得出主要結(jié)論如下：

表6 鋼管混凝土承載能力檢算表

(1)具有長周期、大脈沖的近場地震動顯著增大了大跨鋼桁拱橋的地震響應(yīng)，本例中應(yīng)力增大比率達40%以上。豎向地震動對拱頂下弦桿和斜腹桿影響較大，拱橋最大應(yīng)力增大約26 MPa。受橋址場地條件較好等因素影響，地震行波效應(yīng)對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響并不十分顯著。

(2)拱上結(jié)構(gòu)墩梁之間采用合理的減震限位裝置或支座與減震限位裝置匹配設(shè)置，能有效改善墩梁的地震力傳遞，使鋼立柱和拱圈應(yīng)力分布更為合理。優(yōu)化后中間鋼立柱(含帽梁)和拱頂弦桿應(yīng)力的減震效果最為明顯，減震率為48%～81%，這也體現(xiàn)了減震限位裝置的隔震和滯回耗能效果。

(3)采用墩梁減隔震措施后，拱腳桿件應(yīng)力仍然較大，不能滿足抗震設(shè)計要求。通過對比分析增大桿件尺寸和在拱腳灌注混凝土兩種解決方案來降低桿件應(yīng)力，結(jié)果表明在拱腳鋼箱內(nèi)灌注混凝土是最為有效的措施。

綜上所述，在上承式大跨度鋼桁拱橋抗震設(shè)計時，應(yīng)充分重視近斷層長周期、大脈沖和高豎向地震動分量等特性對橋梁地震響應(yīng)的影響，并結(jié)合場地地震安評結(jié)果，充分考慮行波效應(yīng)可能產(chǎn)生的不利影響。通過合理設(shè)計減隔震措施能有效降低橋梁的地震響應(yīng)，但應(yīng)注意僅通過增大截面尺寸降低拱腳應(yīng)力既不經(jīng)濟也不合理，合理采用降低上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量并在拱腳灌注混凝土的方式可達到更優(yōu)效果。