高烈度區(qū)曲線連續(xù)梁減隔震設(shè)計(jì)

尹 臻

（上海市政工程設(shè)計(jì)有限公司，上海市200092）

0 引 言

橋梁工程作為具備跨越連接能力的結(jié)構(gòu)形式，在城市交通體系中扮演著不可或缺的角色。地震造成的橋梁破壞不僅會(huì)影響人類的交通出行和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而且會(huì)對(duì)震后的救援工作帶來極為不利的影響，導(dǎo)致地震次生災(zāi)害的加速發(fā)展[1]。

在城市日新月異的發(fā)展過程中，由于道路專業(yè)平面線性需要，曲線連續(xù)梁這種橋梁結(jié)構(gòu)形式越來越多地出現(xiàn)在現(xiàn)代城市交通系統(tǒng)中，比如城市立交、機(jī)場樞紐和城市生態(tài)環(huán)形步道橋等。

烏魯木齊市地處地震基本烈度8度區(qū)，屬于地震高烈度地區(qū)，同時(shí)曲線連續(xù)梁是應(yīng)用非常廣的一種橋梁結(jié)構(gòu)形式。因此，本文以烏魯木齊市安寧渠路(機(jī)場段)道路改線工程為工程背景，采用數(shù)值模擬方法，進(jìn)行高烈度區(qū)曲線連續(xù)梁的地震反應(yīng)分析與驗(yàn)算。

1 工程背景介紹及有限元模型

1.1 工程概述

本文依托安寧渠路(機(jī)場段)道路改線工程，主橋跨徑為35m+35m的2跨等截面連續(xù)鋼箱梁橋，位于曲線半徑R=100m的道路平面上（見圖1）。主橋兩側(cè)各建一聯(lián)引橋作為后續(xù)結(jié)構(gòu)。兩側(cè)引橋跨徑均為35m+35m的2跨等截面連續(xù)鋼箱梁橋，位于直線段上。上部結(jié)構(gòu)均采用Q345qE鋼材，下部結(jié)構(gòu)均采用混凝土材料。

圖1 主橋立面圖（單位：m）

主橋和引橋上部結(jié)構(gòu)梁高均為1.8m。截面如圖2所示。

圖2 主橋和引橋橫斷面圖（單位：mm）

全橋支承體系布置示意如圖3所示。支座均采用高阻尼隔震橡膠支座。

圖3 全橋支承體系布置示意圖

橋墩墩柱均采用單柱花瓶墩，承臺(tái)均采用矩形實(shí)心混凝土截面。所有橋墩斷面尺寸均為1.5m×2.0m，承臺(tái)斷面尺寸均為5.2m×5.6m，如圖4所示。

橋梁基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)。所有橋墩基礎(chǔ)布置形式均為整體式承臺(tái)下連接縱向2排，每排2根φ1.2m樁基，如圖5所示。中墩和邊墩墩柱底配筋見圖6，樁基配筋見圖7。

圖4 中墩和邊墩布置圖（單位：m）

圖5 樁基布置圖（單位：m）

圖6 中墩和邊墩墩柱底配筋圖（單位：mm）

圖7 樁基配筋圖（單位：mm）

1.2 有限元模型

主梁、墩柱和承臺(tái)均采用梁單元模擬。主梁梁單元質(zhì)量和二期恒載均以線荷載形式加在主梁單元上；墩柱和承臺(tái)單元質(zhì)量以賦予材料質(zhì)量的形式加在各自單元上。

本文橋梁基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ166—2011）[2]第6.2.7條規(guī)定：對(duì)采用樁基礎(chǔ)的橋梁，計(jì)算模型應(yīng)考慮樁土共同作用，樁土的共同作用可采用等代土彈簧模擬，等代土彈簧的剛度可采用m法計(jì)算。4樁承臺(tái)基礎(chǔ)計(jì)算結(jié)果見表1。

本文支承系統(tǒng)采用高阻尼隔震橡膠支座，全橋支座型號(hào)見表2。

表2 主橋支座型號(hào)表[3]

本文采用雙線性模型對(duì)高阻尼隔震橡膠支座進(jìn)行模擬。通過設(shè)置高阻尼隔震橡膠支座的水平屈服力Qy、初始水平剛度k1和屈服后水平剛度k2等數(shù)值，進(jìn)行非線性時(shí)程分析。各參數(shù)具體數(shù)值見表3。

根據(jù)上述模擬方法，以Midas/Civil2019（v2.2）軟件為建模工具，建立全橋有限元基準(zhǔn)模型，見圖8。

圖8 全橋空間動(dòng)力計(jì)算模型

2 地震動(dòng)輸入

2.1 目標(biāo)反應(yīng)譜

根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.2.1條規(guī)定，擬合水平向設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜譜值S。

表1 橋梁群樁基礎(chǔ)6彈簧剛度表

表3 高阻尼隔震橡膠支座參數(shù)表

本橋地震基本烈度為8度，水平向地震動(dòng)峰值加速度A為0.20g，抗震設(shè)防類別為乙類。場地類別為II類，所屬的設(shè)計(jì)地震分區(qū)為2區(qū)，特征周期Tg為0.40s。

根據(jù)規(guī)范得出的目標(biāo)反應(yīng)譜見圖9。

圖9 水平向加速度反應(yīng)譜

2.2 加速度時(shí)程

根據(jù)上節(jié)給出的目標(biāo)反應(yīng)譜生成人工波，并從與目標(biāo)反應(yīng)譜擬合較好的地震波中選取人工波。本文選取1號(hào)~3號(hào)3組地震波并取最大值，3組地震波加速度時(shí)程圖見圖10~圖12。

圖10 1號(hào)地震波加速度時(shí)程圖

圖11 2號(hào)地震波加速度時(shí)程圖

圖12 3號(hào)地震波加速度時(shí)程圖

2.3 地震動(dòng)輸入方向

本文地震反應(yīng)分析中，考慮水平方向和豎向的地震輸入。對(duì)于曲線橋梁，分別沿相鄰2橋墩連線方向和垂直于連線水平方向進(jìn)行多方向地震輸入，以確定最不利地震水平輸入方向[2]。本文地震水平輸入方向見表4。

表4 地震水平輸入方向表

3 E2基于非線性時(shí)程的地震反應(yīng)分析與抗震驗(yàn)算[4-5]

3.1 非線性動(dòng)力計(jì)算模型

本文采用非線性動(dòng)力時(shí)程分析法，建立減隔震橋梁的非線性動(dòng)力模型?？紤]高阻尼隔震橡膠支座的非線性力學(xué)特性，其恢復(fù)力模型采用雙線性模型。

3.2 地震反應(yīng)

采用前述3組地震加速度時(shí)程分別進(jìn)行水平向和豎向輸入，對(duì)建立的動(dòng)力計(jì)算模型進(jìn)行非線性時(shí)程分析，地震反應(yīng)分析結(jié)果取3組時(shí)程結(jié)果的最大值。表5~表7分別列出了各橋墩墩柱關(guān)鍵截面內(nèi)力、承臺(tái)底內(nèi)力以及高阻尼隔震橡膠支座響應(yīng)的最大值。

表5 各橋墩關(guān)鍵截面地震切向和法向內(nèi)力表

表6 承臺(tái)底最大地震切向和法向內(nèi)力響應(yīng)表

表7 支座切向和法向的最大地震響應(yīng)表

3.3 抗震驗(yàn)算

根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第9.4.1條和第9.4.2條的規(guī)定，E2地震作用下，橋梁墩臺(tái)與基礎(chǔ)的驗(yàn)算，應(yīng)將減隔震裝置傳遞的水平地震力除以1.5的折減系數(shù)，并與恒載內(nèi)力進(jìn)行組合，得到各控制截面的最不利內(nèi)力。對(duì)于高阻尼隔震橡膠支座，E2地震作用下產(chǎn)生的剪切應(yīng)變必須在250%以下，并應(yīng)校核其穩(wěn)定性。

在進(jìn)行E2地震作用下抗震驗(yàn)算時(shí)，本橋的荷載組合主要是恒載與地震荷載的組合。由于橋墩墩柱為偏心受壓構(gòu)件，其恒載與地震作用的最不利組合為：（1）軸力為恒載軸力減去地震軸力；（2）彎矩為恒載彎矩與地震彎矩之和。

3.3.1 橋墩抗彎驗(yàn)算

計(jì)算出的各墩恒載內(nèi)力以及恒載與地震內(nèi)力最不利組合見表8，表中的地震彎矩考慮了減隔震裝置傳遞的水平地震力除以1.5的折減系數(shù)。

按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG3362—2018）中偏心受壓構(gòu)件承載能力計(jì)算公式，計(jì)算出的各墩柱關(guān)鍵截面抗彎承載能力見表9。由表9可知，在最不利軸力作用下，各墩柱關(guān)鍵截面抗彎承載力均滿足規(guī)范要求。

表8 各橋墩關(guān)鍵截面切向和法向最不利內(nèi)力組合表

表9 地震作用下墩柱切向和法向抗彎強(qiáng)度檢算表

3.3.2 基礎(chǔ)

根據(jù)表6中承臺(tái)底最大內(nèi)力響應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，考慮減隔震裝置傳遞的水平地震力除以1.5的折減系數(shù)后，計(jì)算出單樁最不利內(nèi)力地震響應(yīng)，與單樁恒載內(nèi)力組合后，驗(yàn)算單樁在最不利軸力作用下的抗彎承載力。各墩最不利單樁抗彎承載能力驗(yàn)算結(jié)果見表10。

表10 各橋墩單樁最不利截面抗彎能力驗(yàn)算表

3.3.3 支座

4 結(jié)語

本文以烏魯木齊市安寧渠路(機(jī)場段)道路改線工程為工程背景，采用減隔震設(shè)計(jì)方法，對(duì)E2地震作用下高烈度區(qū)曲線連續(xù)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性時(shí)程分析，并以Midas/Civil2019（v2.2）軟件為工具，進(jìn)行地震反應(yīng)分析與驗(yàn)算，對(duì)該類橋梁的減隔震設(shè)計(jì)提供了有益的參考。

表11 地震作用下支座變形