地震高烈度區(qū)高架橋結(jié)構(gòu)選型及受力特點分析

王培曉

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

地震是與地球構(gòu)造運動密切相關(guān)的一種自然現(xiàn)象。它是伴隨著地殼上能量的釋放而引起的地球表面強烈振動。我國是一個多地震的國家，許多橋梁橋址處于地震多發(fā)區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，橋址處地震、臺風等自然災(zāi)害頻繁。倘若橋梁工程遭到嚴重破壞，就會切斷震區(qū)的交通生命線，造成救災(zāi)工作困難，加重次生災(zāi)害。因此，橋梁的抗震防災(zāi)工作顯得極為重要[1]。

“5·12”汶川大地震給社會造成了巨大損失，由于震區(qū)交通設(shè)施損毀嚴重，致使救援人員和物資不能及時到位。特別是位于震中的汶川縣附近道路、國省道橋梁受到嚴重破壞，救災(zāi)部隊、人員，以及醫(yī)療、生活物資遲遲不能從陸路進入，對重災(zāi)區(qū)救援造成極大的阻礙，加劇了災(zāi)區(qū)的人員傷亡。

多年來的震害經(jīng)驗表明，傳統(tǒng)的橋梁抗震設(shè)計，地震后結(jié)構(gòu)損傷破壞嚴重，不能保證應(yīng)急交通，橋梁破壞所造成的直接和間接經(jīng)濟損失巨大。基于對橋梁和結(jié)構(gòu)地震震害的認識，美國、日本等國，對于結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)抗震設(shè)計、分析方法進行了全面的重新認識，提出基于性能的抗震設(shè)計思想。目前，我國城市高架橋梁普遍采用預(yù)制裝配小箱梁和預(yù)應(yīng)力混凝土大箱梁構(gòu)造。這兩種結(jié)構(gòu)無論是在靜力計算方法和施工工藝上，均已經(jīng)比較成熟，積累了較為豐富的經(jīng)驗。但是，由于早期抗震規(guī)范不成熟，抗震設(shè)計手段不夠，地震高烈度區(qū)橋梁抗震設(shè)計仍有不少技術(shù)問題尚待完善。在兩種結(jié)構(gòu)選型中，往往重點關(guān)注施工場地運輸便捷性、結(jié)構(gòu)整體美觀性及施工單位施工能力等因素。現(xiàn)著重從抗震角度，根據(jù)強震作用下兩種結(jié)構(gòu)型式受力特點不同，以及構(gòu)造設(shè)計不同等，對兩種結(jié)構(gòu)進行對比，為地震高烈度區(qū)城市高架橋選型提供參考。

1 工程概況

?？谑锌焖俾肪W(wǎng)骨干工程位于?？谑兄行某菂^(qū)，貫通?？谑兄鞒菂^(qū)東西方向，是?？诔鞘锌焖俾肪W(wǎng)中的主骨架之一。該工程全線采用高架橋梁的結(jié)構(gòu)形式，西起長濱路，東至國興大道相接，主線橋梁總長13.4km，主線高架兩側(cè)布置多對平行上、下匝道，并設(shè)置長濱路立交和龍昆路立交兩座立交橋，實橋見圖1所示。主線高架橋標準段采用跨度30m，基礎(chǔ)形式以鉆孔灌注樁為主。工程場址地震動峰值加速度為0.3g，基本烈度為8度高烈度區(qū)，在城市建設(shè)中必須考慮地震危險性，進行抗震設(shè)防，以保證城市生命線工程的地震安全性，保障人民生命財產(chǎn)安全。

圖1 工程之實景

該工程標準跨徑采用3×30m，標準橋?qū)?5.5m。現(xiàn)選取標準段分別對預(yù)制裝配小箱梁和預(yù)應(yīng)力混凝土大箱梁在E2地震下的動力特性進行計算分析，并對受力特點及相應(yīng)的關(guān)鍵構(gòu)造設(shè)計進行比較，最終對地震高烈度區(qū)城市高架橋的結(jié)構(gòu)選型提出參考建議。

2 抗震計算

2.1 預(yù)應(yīng)力混凝土大箱梁

橋梁動力特性分析采用離散結(jié)構(gòu)的有限單元方法，有限元計算模型均以順橋向為X軸，橫橋向為Y軸，豎向為Z軸。主梁、橋墩和樁基均離散為空間的梁單元，承臺模擬為質(zhì)點，用等效土彈簧模擬樁土相互作用；與分析對象相接的兩聯(lián)作為邊界條件參與建模。結(jié)構(gòu)動力特性和地震反應(yīng)分析的三維有限元模型，如圖2所示。

圖2 有限元計算模型

地震高烈度區(qū)，橋梁減隔震器的選擇至關(guān)重要。一般來說，橋梁結(jié)構(gòu)都是將支座作為減隔震器，將上下部結(jié)構(gòu)進行分離，并通過減隔震支座的技術(shù)處理，達到減震隔震作用，減少上部結(jié)構(gòu)傳遞給下部結(jié)構(gòu)的地震力。目前橋梁工程應(yīng)用較廣泛的減隔震器主要有：鉛芯橡膠支座、雙曲面摩擦擺式支座及阻尼器等。現(xiàn)取典型柱高8m，并進行抗震計算分析比選，計算結(jié)果如表1所列。

表1 E2地震作用計算結(jié)果比較表

由抗震計算結(jié)果可知，采用雙曲面擺式支座，配套采用阻尼器，可以有效地控制傳遞給下部結(jié)構(gòu)的地震力，并減少地震位移，立柱尺寸可以采用較為常規(guī)的尺寸。采用鉛芯橡膠支座，雖然地震位移比雙曲面擺式減隔震支座減少很多，但是傳遞給下部結(jié)構(gòu)的地震力較大，立柱和樁基等下部結(jié)構(gòu)尺寸變大，降低了經(jīng)濟效益和結(jié)構(gòu)景觀。鑒于上述比較結(jié)果，選取雙曲面擺式減隔震支座方案，E2地震水準下抗震設(shè)計結(jié)果整理如表2和表3所列。

表2 支座驗算表（縱向+豎向輸入）

表3 支座驗算表（橫向+豎向輸入）

取立柱截面配筋率為1.44%，雙向配箍率均為0.4%水平時，立柱抗震驗算如圖3、圖4所示。

圖3 立柱墩底P-M履歷圖（E2縱向+豎向輸入）

圖4 立柱墩底P-M履歷圖（E2橫向+豎向輸入）

由上可知，在E2縱向+豎向輸入及E2橫向+豎向輸入下，立柱的P-M（軸力-彎矩）履歷曲線均在立柱截面PM能力包絡(luò)曲線內(nèi)，立柱基本保持彈性，滿足基本無損傷要求。基礎(chǔ)因破壞后較難修復(fù)，抗震設(shè)計使其保持基本無損傷狀態(tài)，按強度控制設(shè)計。

2.2 預(yù)制小箱梁

建模方法同2.1節(jié)所述。由于上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制小箱梁，立柱頂需設(shè)置蓋梁，動力模型如圖5所示。

圖5 有限元計算模型

由于小箱梁支座噸位較小，且各小箱梁之間整體性與大箱梁相比較弱，受結(jié)構(gòu)形式限制，地震墩梁相對位移不宜過大，建議減隔震器選擇鉛芯橡膠支座，進行抗震分析比選，取典型柱高8m，采取與預(yù)應(yīng)力混凝土大箱梁立柱對應(yīng)的配筋水平，計算結(jié)果如表4所列。

表4 E2地震作用計算結(jié)果比較表

因預(yù)制小箱梁一般需設(shè)置立柱蓋梁的結(jié)構(gòu)特點，蓋梁的地震力無法通過減隔震支座耗散。下部結(jié)構(gòu)受力仍然較大，需要增加下部尺寸和配筋才能達到減隔震體系的設(shè)防目標，立柱尺寸普遍需達到2.0m×2.5m，樁基需達到8Φ1500mm。由于平頭蓋梁高度較高，影響景觀和橋下凈空，倒T蓋梁隱藏部分蓋梁高度，結(jié)構(gòu)相對輕巧，可一定程度回避平頭蓋梁的不足，所以建議采用倒T蓋梁結(jié)構(gòu)形式（下文構(gòu)造設(shè)計基于倒T蓋梁方案）。但是，預(yù)制小箱梁作為簡支構(gòu)造，橋面需進行專門設(shè)計，以達到橋面連續(xù)及舒適性的功能需要。常規(guī)小箱梁梁端與蓋梁間隙一般為5cm左右，地震高烈度區(qū)橋梁，為避免大地震作用下梁體與蓋梁碰撞破壞，小箱梁與倒T蓋梁間預(yù)留安全空隙根據(jù)采用的減隔震手段和地震響應(yīng)的大小計算確定，往往要大于常規(guī)橋梁。根據(jù)規(guī)范，該工程地處8度0.3g（地震安評報告更高），采用減隔震支座，E2地震水平位移較大。根據(jù)表4計算結(jié)果，墩梁相對位移最大可達到30cm左右，增加了蓋梁尺寸和伸縮縫設(shè)計難度。

3 關(guān)鍵構(gòu)造設(shè)計

3.1 預(yù)應(yīng)力混凝土大箱梁

預(yù)應(yīng)力混凝土大箱梁由于上部結(jié)構(gòu)為一個整體，可以根據(jù)抗震設(shè)防目標的設(shè)計要求，輕松地通過減隔震支座實現(xiàn)減震和隔震效果，從而降低下部結(jié)構(gòu)尺寸和造價。當然，也帶來了上下部結(jié)構(gòu)相對位移較大的問題。如果，不采取技術(shù)措施加以控制，反而會因為位移過大造成結(jié)構(gòu)的不合理。因此，根據(jù)項目的實際情況，需要配套設(shè)置一系列減隔震關(guān)鍵構(gòu)造措施。

（1）連梁裝置，這是高烈度區(qū)橋梁抗震措施的重要組成部分。一般橋梁上部結(jié)構(gòu)在E2地震作用下會發(fā)生橫向位移、縱向位移及轉(zhuǎn)動位移，這些位移一旦過大，會造成橋梁落梁、碰撞，位移發(fā)散等危害。1995年日本阪神大地震時，橋梁破壞嚴重，其中主要的一種整體破壞形式就是落梁破壞。震后，日本及時對橋梁抗震規(guī)范進行重新修訂，并對現(xiàn)狀橋梁進行了抗震措施加固，普遍加裝了連梁裝置，橋梁抗震設(shè)防能力卻得到了極大提升[2]，如圖6所示。

圖6 海秀快速路連梁裝置之實景

（2）三向限位裝置，高烈度區(qū)橋梁在E2地震作用下，會出現(xiàn)豎向落梁及跳梁等危害。因此，與其他同類工程相比，需增加縱向、橫向及豎向限位裝置。一方面，可在大地震作用時，防止主梁落梁危害；另一方面，避免因跳梁造成立柱頂局部沖擊破壞，造成結(jié)構(gòu)損傷難以修復(fù)，甚至下部結(jié)構(gòu)破壞發(fā)生傾覆[2]，如圖7所示。

圖7 海秀快速路三向限位裝置（邊墩）之實景

（3）阻尼器，高烈度區(qū)采用減隔震設(shè)計的橋梁，在E2地震作用下的位移較大，一般來說允許位移越大，地震力消耗也越多，對下部結(jié)構(gòu)越有利。但是，位移超過一定程度也會帶來其他問題，比如：支座尺寸和立柱尺寸過大，景觀性差；伸縮縫過大，行車舒適度變差等，因此，需要設(shè)置阻尼器等手段，適當控制地震位移，同時又能滿足設(shè)計預(yù)期的抗震性能[2]，如圖8所示。

圖8 海秀快速路阻尼器之實景

3.2 預(yù)制小箱梁

預(yù)制小箱梁結(jié)構(gòu)，其主要的減隔震設(shè)計為抗震支座，由于上部結(jié)構(gòu)整體性較現(xiàn)澆箱梁要弱，一般將地震位移控制在較小范圍，并且由于多支座支撐在蓋梁之上，可以省卻多項限位、連梁裝置等減隔震配套措施。橋面板連續(xù)構(gòu)造是預(yù)制小箱梁方案構(gòu)造措施的關(guān)鍵點，該構(gòu)造的可靠性與耐久性不僅關(guān)系到結(jié)構(gòu)抗震可靠性，更關(guān)系到結(jié)構(gòu)正常使用的性能，是該方案重要的構(gòu)造設(shè)計。橋面板連續(xù)構(gòu)造設(shè)計比較，如表5所列。

表5 小箱梁橋面連續(xù)構(gòu)造設(shè)計比較表

橋面連續(xù)構(gòu)造方案示意圖如圖9所示。

圖9 橋面連續(xù)構(gòu)造方案示意圖

橋面板連續(xù)構(gòu)造，在全橋分布極為廣泛，且直接影響到行車舒適性，需選擇安全、實用、耐久、易修復(fù)性的方案。根據(jù)上述方案優(yōu)缺點比較，在地震高烈度區(qū)城市高架橋設(shè)計中，對于預(yù)制小箱梁構(gòu)造，可采用方案五，但施工中需嚴格控制施工質(zhì)量。

4 結(jié) 語

（1）我國處于環(huán)太平洋地震斷裂帶和歐亞大陸地震斷裂帶之間，地震災(zāi)害頻發(fā)。根據(jù)我國地震區(qū)劃規(guī)范規(guī)定，多地處于地震高烈度區(qū)，在這些地區(qū)應(yīng)充分重視城市橋梁抗震設(shè)計。一般預(yù)應(yīng)力混凝土大箱梁結(jié)構(gòu)和預(yù)制混凝土小箱梁結(jié)構(gòu)都是城市高架橋中比較常用的橋型方案，但是應(yīng)結(jié)合抗震需求和實際建設(shè)條件，選擇較為合理的結(jié)構(gòu)形式。

（2）從抗震設(shè)計的角度，對兩種結(jié)構(gòu)形式進行比較可見，預(yù)應(yīng)力混凝土大箱梁由于整體性好，可選擇的減隔震手段更為豐富，且避免了大蓋梁設(shè)計，通過不同的減隔震器設(shè)計，能有效降低下部結(jié)構(gòu)的地震力，從而減少下部結(jié)構(gòu)尺寸和配筋，降低造價，在地震高烈度區(qū)城市高架橋選型，具有較好的適應(yīng)性。