長聯(lián)大跨復(fù)雜橋梁抗震方案的優(yōu)化設(shè)計

石佳明

（中交城鄉(xiāng)建設(shè)規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430050）

0 引言

我國存在多個地震多發(fā)地區(qū)，為了減少地震帶來的不利影響，我國在橋梁設(shè)計中非常重視橋梁抗震性能的設(shè)計，特別是針對長聯(lián)多跨連續(xù)梁橋梁，如果忽視地震對橋梁和周邊環(huán)境的影響，勢必會給橋梁的使用帶來安全風(fēng)險[1]。

在常規(guī)設(shè)計方法中，通常是在橋梁橫跨的中間位置設(shè)置固定墩，地震荷載經(jīng)由固定墩來釋放。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，墩和其基礎(chǔ)會受力過大，容易導(dǎo)致橋梁墩開裂的情況，嚴(yán)重時可能會造成橋梁斷裂，從而造成極大的安全隱患[2]。本文以某長聯(lián)大跨橋梁為例，從抗震設(shè)計的要點以及地震主要受力的位置設(shè)計了兩種橋墩和橋梁的連接手段：單墩固定和雙墩固定，在實際應(yīng)用中則需根據(jù)橋梁所處位置的地震帶情況選擇符合抗震需求的設(shè)計方案，為橋梁建設(shè)提供支持。

1 某長聯(lián)大跨復(fù)雜橋梁工程概況

某長聯(lián)大跨復(fù)雜橋梁為多跨連續(xù)空腹式拱形連續(xù)結(jié)構(gòu)，為了充分了解抗震性能和橋墩的關(guān)系，選取最長聯(lián)部分為計算部分。橋梁下部結(jié)構(gòu)采用三柱式橋墩，混凝土強度等級為C40，固定墩采用3m（順橋向）×2.5m（橫橋向）的矩形橋墩，縱筋直徑32mm，間距10cm，箍筋直徑16mm，橋墩間距6.75m；下接承臺為矩形承臺，群樁基礎(chǔ)，樁徑1.5m。采用模數(shù)式D360 伸縮縫[3]。

2 減隔震方案設(shè)計

2.1 單墩固結(jié)方案

方案一：摩擦擺支座+黏滯阻尼器（單墩固定）。每個支座均布置阻尼器。支座參數(shù)見表1所示。

表1 方案一的支座參數(shù)

方案二：鋼支座（邊墩）+高阻尼橡膠支座（中墩）（單墩固定），具體參數(shù)見表2所示。

表2 方案二的支座參數(shù)

方案三：鋼支座（中支座）+高阻尼橡膠支座（邊支座）（單墩固定），兩種支座選型均與方案二相同，具體見表3所示。。

表3 方案三的支座布置

2.2 雙墩固結(jié)方案

雙墩固結(jié)方案4～方案6的支座布置如表4～表6所示，7#、8#雙墩為固定墩，各方案的支座選型參數(shù)不變［4］。

表4 方案四的支座布置

表6 方案六支座布置

方案四：摩擦擺支座+黏滯阻尼器（雙墩固定）。

方案五：鋼支座（邊墩）+高阻尼橡膠支座（中墩）（雙墩固定）。

方案六：鋼支座（中支座）+高阻尼橡膠支座（邊支座）（雙墩固定）。

表5 方案五的支座布置

3 減隔震方案設(shè)計及抗震效果分析

3.1 溫度和伸縮縫設(shè)置

本案例中的長聯(lián)大跨橋梁處于我國的東北部寒冷地區(qū)，且橋梁的聯(lián)長、跨度較長，所以需要嚴(yán)格考察支座方案設(shè)計；溫度也會影響到橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，應(yīng)重視伸縮縫的設(shè)置和分布間隔。可以模擬環(huán)境溫度變化，采用整體升溫和降溫的方式分析伸縮縫位移和力的關(guān)系，以確定伸縮縫設(shè)置。根據(jù)該地區(qū)實際情況，選擇合適的設(shè)計方案[5]。采用單墩固定方式或雙墩固定方式，應(yīng)在溫度一致的情況下，主要考慮的是伸縮縫的位移的區(qū)別，以選擇合適的固定方案。

經(jīng)過計算后確認(rèn)單墩固定方案中的一號方案位移最大，內(nèi)力最小；單墩固定的二號方案和雙墩固定的五號方案的伸縮縫的位移較大，最大內(nèi)力則相對較小[6]；三號方案和六號方案的位移較小。內(nèi)力最大但是結(jié)果顯示并不是最有效的，根據(jù)伸縮縫的寬度和設(shè)置方面考慮，雙墩方案更加保險。

3.2 地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析

本文建立了某長聯(lián)大跨橋梁的模型，并根據(jù)其周邊地理條件設(shè)置了地震參數(shù)，利用非線性動力時程來確認(rèn)地震發(fā)生后對橋梁的影響。將單墩和雙墩固定的6種減震方案模擬在橋梁中進行分析，從而確認(rèn)這6種方案的減震效果。

另外，鑒于本次研究對象位于寒冷地區(qū)，混凝土自身會發(fā)生收縮反應(yīng)，溫度形變較大，因此需考慮到溫度降低產(chǎn)生的附加力[7]。

具體以某長聯(lián)大跨橋梁為研究對象并分析地震發(fā)生時，不同的方案均選擇了固定墩（7#、8#墩）為研究對象，并根據(jù)他們的支座響應(yīng)和墩底響應(yīng)來確認(rèn)伸縮縫位移情況。模擬了4級地震的情況后，根據(jù)6種減震方案來判斷支座的參數(shù)。

首先根據(jù)順序確保橋向的支座位移和受力小于最大值，同時橫橋向也在范圍之內(nèi)，且墩支座位置依然處于完好狀態(tài)[8]。

但這一過程中個別方案出現(xiàn)臨界值的情況，例如方案二的順橋方向的受力較大，雖然沒有超過允許值，但是由于數(shù)值和臨界值較為接近，因此該方案的科學(xué)性有待商榷。而方案一和方案四的各項參數(shù)均在正常值范圍內(nèi)并和允許值差別較大，因此不做考慮。

為了更好地體現(xiàn)各個減震方案的效果，選擇橋梁墩底彎矩和所受的剪力作為分析對象。通過計算減震率來判斷是否能在地震來臨之時發(fā)揮最佳效果，預(yù)防橋梁受損，計算減震率的公式為：

減震率=（常規(guī)方案橋梁地震反應(yīng)-減隔震方案橋梁地震反應(yīng)）/常規(guī)方案橋梁地震反應(yīng)×100%。

利用上式計算獲取六種方案的減震率及抗震效果，見表7。通過表7數(shù)據(jù)分析，對六種方案的減震效果進行分析比較，從而確定最優(yōu)的橋礅固定方案。

表7 六種方案的減震率計算結(jié)果

（1）雙墩固定方案相較單墩固定方案更有優(yōu)勢，前者的受力較為分散，所以抗剪力的能力大大提升，同時分擔(dān)地震波以及反應(yīng)的條件讓減震率更高，根據(jù)6種方案的比較也可以確認(rèn)這一特性。另外，通過抗震結(jié)果分析可知，五號、六號方案面對大地震時的減震效果較佳，減震率可達(dá)一半以上，比起單墩固定方案，雙墩固定方案在減少橫向地震性能更優(yōu)。所以雙墩固定支座方案更加適合。

（2）在以上方案中，摩擦擺和阻尼器協(xié)同工作的方案最佳。從抗震結(jié)果分析可知，雖然一號和四號方案的減震率更好（超過了79%），但是該方案具有很大的缺點：阻尼器雖然可以很好地完成工作，但這一設(shè)備目前密封技術(shù)尚不完善，難以杜絕漏油現(xiàn)象，一旦漏油，每次維護需要耗費的大量的人力和物力。另外，該方案需要設(shè)置更寬的伸縮縫，不利于橋梁的整體性。所以想要將以上方法用于實踐，仍然有很多難題需要攻克。

（3）高阻尼橡膠支座方案減震效果比較好，在后期的養(yǎng)護中耗費的人力和物力都相對較少，相較其他方案成本降低了很多。并且根據(jù)方案二、方案三，方案五、方案六顯示，是否開放邊排支座對于橋梁抗震來說區(qū)別并不是很大，但若從伸縮縫的問題考慮，則不是特別適用于實際的橋梁施工。因此方案三和方案六更適合實際工程需求。

總體而言，方案六更適合于該長聯(lián)大跨復(fù)雜橋梁設(shè)計。具體表現(xiàn)為：和其他方案比較，該方案的伸縮縫位移比較適合實際施工，減震效果較優(yōu)，最重要的是建設(shè)成本和維護成本都很低。

4 結(jié)束語

本文通過建立有限元模型，研究分析了長聯(lián)大跨復(fù)雜橋梁的減隔震方案，通過六種方案的對比分析，得出了較優(yōu)的抗震設(shè)計方案：鋼支座（中支座）+高阻尼橡膠支座（邊支座）的雙墩固定結(jié)構(gòu)，其減震效果及建設(shè)維護成本最低，適用于實際的橋梁建設(shè)，可為該類橋梁的抗震設(shè)計提供參考。