高地震烈度、重載大跨橋梁設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

馬海忠，熊仕吉，羅 剛，王傳波，王照英，江政德，陳建安

（1.華能瀾滄江水電股份有限公司如美水電工程建設(shè)管理局，云南昆明 650000；2.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000）

0 前 言

大跨橋梁具有跨越能力強(qiáng)、施工成本低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。在其建設(shè)中，需從多方面做好配套設(shè)計(jì)管理等工作。結(jié)合如美大橋設(shè)計(jì)建設(shè)情況，重點(diǎn)就其重荷載效應(yīng)、軸重重載、重載與地震烈度關(guān)系等幾方面進(jìn)行研究分析。

1 工程概況

如美大橋是某水電站場(chǎng)內(nèi)交通橋梁，橋址位置處河流流向N45°E，枯期河水位高程約2612.41m，河面寬66m。大橋所在區(qū)域河谷呈“V”型，橋梁分別跨越瀾滄江與318國(guó)道。該橋主要是為解決某水電站交通運(yùn)輸，最后該橋確定為汽車荷載-80級(jí)，驗(yàn)算荷載特-220級(jí)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)該橋確定為55m＋90m＋55m連續(xù)剛構(gòu)橋，橋面全寬11.5m，1號(hào)墩高31.5m，2號(hào)墩高28m，橋梁全長(zhǎng)212.8m，該橋址地震基本烈度為Ⅷ度，地震動(dòng)峰值為0.20g，反應(yīng)譜特征周期為0.45。

2 場(chǎng)內(nèi)重載與公路I級(jí)荷載對(duì)比分析

2.1 場(chǎng)內(nèi)重載與公路Ⅰ級(jí)車輛荷載

JTGD60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》及GBJ22-87《廠礦道路設(shè)計(jì)規(guī)范》代表性的車輛荷載軸重見(jiàn)下文。

2.1.1 公路Ⅰ級(jí)車輛荷載

公路Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載軸重、軸距情況見(jiàn)圖1。

圖1 公路Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載（單位：長(zhǎng)度，m；力，kN）

2.1.2 汽車80級(jí)車輛荷載

汽車80級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載的軸重、軸距、縱向布置距離等情況如圖2所示。

圖2 汽車80級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載（單位：長(zhǎng)度，m；重量，kN）

從圖1～2可知場(chǎng)內(nèi)重載汽車80級(jí)車輛荷載的最大軸重為公路I級(jí)車輛荷載的3.79倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于公路車輛荷載的軸重。

2.2 場(chǎng)內(nèi)重載與公路I級(jí)荷載作用效應(yīng)

采用MidasCivil（2019）建立橋梁模型，全橋共建立140個(gè)單元，145個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別在該模型上進(jìn)行公路I級(jí)與汽車80級(jí)荷載的加載計(jì)算，確定兩者分別產(chǎn)生的荷載效應(yīng)。

2.2.1 公路I級(jí)荷載產(chǎn)生的效應(yīng)

雙車道公路Ⅰ級(jí)荷載在跨中產(chǎn)生的最大彎矩為17497.4kN／m，在支點(diǎn)產(chǎn)生最大彎矩34100.9kN／m，最大剪力出現(xiàn)在1 號(hào)墩墩頂截面，其值為3156.8kN。

2.2.2 汽車荷載80級(jí)產(chǎn)生的效應(yīng)

汽車荷載80級(jí)在跨中產(chǎn)生的最大彎矩為35314.1kN／m，在支點(diǎn)產(chǎn)生最大彎矩81687.5kN／m。最大剪力出現(xiàn)在1 號(hào)墩墩頂截面，其值為6448.4kN。

在進(jìn)行汽車荷載80級(jí)與公路I級(jí)荷載研究同時(shí)，還進(jìn)行研究了30T梁、40T梁分別在公路I級(jí)、汽車-60、汽車-80荷載作用下產(chǎn)生效應(yīng)，結(jié)果如表1～2所示。

表1 汽車活荷載效應(yīng)

表2 汽車活荷載效應(yīng)比值

綜合上表分析，重載汽-60在30mT梁跨中產(chǎn)生的彎矩是公路I級(jí)產(chǎn)生的1.176倍，在支點(diǎn)產(chǎn)生的剪力是公路I級(jí)的1.363倍，在40mT梁跨中產(chǎn)生的彎矩是公路I級(jí)產(chǎn)生的1.213倍，在支點(diǎn)產(chǎn)生的剪力是公路I級(jí)的1.427倍，在55m＋90m＋55m連續(xù)剛構(gòu)跨中產(chǎn)生的彎矩是公路I級(jí)產(chǎn)生的1.595倍，在支點(diǎn)產(chǎn)生的彎矩是公路I級(jí)產(chǎn)生的2.084倍，在支點(diǎn)產(chǎn)生的剪力是公路I級(jí)的1.721倍。

重載汽-80在30mT梁跨中產(chǎn)生的彎矩是公路I級(jí)產(chǎn)生的1.56倍，在支點(diǎn)產(chǎn)生的剪力是公路I級(jí)的1.795倍，在40mT梁跨中產(chǎn)生的彎矩是公路I級(jí)產(chǎn)生的1.639倍，在支點(diǎn)產(chǎn)生的剪力是公路I級(jí)的1.886倍，在55m＋90m＋55m連續(xù)剛構(gòu)跨中產(chǎn)生的彎矩是公路I級(jí)產(chǎn)生的2.018倍、在支點(diǎn)產(chǎn)生的彎矩是公路I級(jí)產(chǎn)生的2.395倍，在支點(diǎn)產(chǎn)生的剪力是公路I級(jí)的2.043倍。

3 場(chǎng)內(nèi)重載作用下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

3.1 結(jié)構(gòu)概況

本橋主梁采用單箱單室直腹板箱形截面，箱梁頂寬11.5m，底寬6.5m，頂板懸臂長(zhǎng)度2.5m，根部梁高6.3m，跨中梁高3.8m，頂板厚度0.3m，跨中底板厚0.32m，箱梁根部底板厚0.8m，箱梁高度以及箱梁底板厚度均按2次拋物線變化。箱梁腹板厚度1～5號(hào)梁段采用0.7m，6號(hào)梁段由0.7m直線漸變到0.5m，漸變段長(zhǎng)度4m，7～11號(hào)梁段采用0.5m，0號(hào)節(jié)段頂板厚0.5m，底板厚1.1m，腹板厚0.7m，主墩墩頂設(shè)置兩道厚1.8m的橫隔板。箱梁澆筑分段長(zhǎng)度依次為13.0m 長(zhǎng)0號(hào)段＋5×3.5m＋5×4m，邊跨中跨合攏段長(zhǎng)均采用2.0m，邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)8.885m。箱梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系。

主墩采用鋼筋混凝土雙肢薄壁墩，基礎(chǔ)采用鉆（挖）孔灌注群樁基礎(chǔ)。雙肢薄壁墩斷面為7.7m×1.8m。承臺(tái)厚度為4.5m，平面尺寸為12.8m×10.1m。單個(gè)墩設(shè)6根直徑2.2m鉆（挖）孔灌注樁。

3.2 梁部關(guān)鍵尺寸的研究

關(guān)鍵尺寸包括了梁高尺寸與橋面板厚度的確定。

3.2.1 支點(diǎn)梁高與跨中梁高的確定

由計(jì)算分析表明，本橋在重載汽80作用下跨中產(chǎn)生的彎矩是公路I級(jí)產(chǎn)生的2.018倍、在支點(diǎn)產(chǎn)生的彎矩是公路I級(jí)產(chǎn)生的2.395倍，常規(guī)剛構(gòu)橋根部高跨比一般在1／16～1／20之間、跨中高跨比比一般在1／50～1／60之間，經(jīng)計(jì)算常規(guī)橋梁的梁高不能滿足規(guī)范要求。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整梁高的計(jì)算，得出符合規(guī)范要求合理的梁高為跨中3.8m，根部6.3m，該根部高跨比為1／14.28，跨中高跨比為1／23.68。

在滿足汽車荷載80級(jí)情況下，該梁根部高比常規(guī)梁高最少高出12%，跨中梁高比常規(guī)梁高最少高出110%。

3.2.2 梁部環(huán)框橫向分析研究

重載汽車80級(jí)車輛荷載的最大軸重為公路I級(jí)車輛荷載的3.79倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于公路車輛荷載的軸重，需要對(duì)常規(guī)橋梁結(jié)構(gòu)的橋面板進(jìn)行承載力分析。

本橋采用MidasCivil（2019）建立橋梁部環(huán)框橫向模型（見(jiàn)圖3），分別在該模型上進(jìn)行公路I級(jí)與汽車80級(jí)車輛的加載，確定兩者分別產(chǎn)生的荷載效應(yīng)，從而確定橋面板厚度及配筋。

圖3 橫向計(jì)算模型（單位：cm）

（1）公路I級(jí)車輛荷載產(chǎn)生的效應(yīng)

如圖3所示，公路I級(jí)車輛荷載在橋面跨中產(chǎn)生的最大彎矩為55.7kN／m，在橋面支點(diǎn)產(chǎn)生的最大彎矩為188.9kN／m。

（2）汽車荷載80級(jí)產(chǎn)生的效應(yīng)

如圖3所示，汽車80級(jí)車輛荷載在橋面跨中產(chǎn)生的最大彎矩為158.9kN／m，在支點(diǎn)產(chǎn)生的最大彎矩為596.0kN／m。

汽車80級(jí)車輛荷載在橋面支點(diǎn)的彎矩是公路I級(jí)車輛荷載的3.155倍，在橋面跨中的彎矩是公路I級(jí)車輛的2.85倍。

橋面板采用橫向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，根據(jù)橫向計(jì)算分析結(jié)果，頂板厚度采用30cm，并對(duì)橫向預(yù)應(yīng)力鋼束的配置進(jìn)行了加強(qiáng)，確保了結(jié)構(gòu)安全。

4 高地震烈度作用下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

4.1 模態(tài)分析

橋梁結(jié)構(gòu)自振特性參數(shù)振型、頻率是進(jìn)行其他動(dòng)力分析的基礎(chǔ)參數(shù)，是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入動(dòng)力分析的必備數(shù)據(jù)。在進(jìn)行動(dòng)力分析前，先要進(jìn)行模態(tài)分析，以獲取結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)基本特征。

本橋采用MidasCivil（2019）軟件建立空間動(dòng)力分析模型，全橋共140個(gè)單元，145個(gè)節(jié)點(diǎn)，將自重及二期恒載轉(zhuǎn)換為質(zhì)量，同時(shí)考慮樁土作用及邊墩的作用，采用子空間迭代法，對(duì)結(jié)構(gòu)的自振特性進(jìn)行了計(jì)算分析。對(duì)于大型的橋梁結(jié)構(gòu)，通常是前幾階自振頻率和相應(yīng)振型起控制作用，因此本文列舉了結(jié)構(gòu)前4階振型、頻率及周期。計(jì)算結(jié)果如圖4和表3所示。

由圖4及表3計(jì)算得到的全橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性結(jié)果可知：

表3 自振特性計(jì)算結(jié)果

圖4 前四階振型

（1）橋梁結(jié)構(gòu)第1階振型出現(xiàn)了主梁縱飄，主墩縱橋向彎曲，結(jié)構(gòu)縱向振動(dòng)先于橫向振動(dòng)出現(xiàn)，表明結(jié)構(gòu)縱橋向剛度較弱。

（2）橋梁結(jié)構(gòu)在第2階出現(xiàn)了主梁橫橋向彎曲與主墩橫橋向側(cè)彎。

4.2 地震作用反應(yīng)譜

地震作用反應(yīng)譜分析本質(zhì)上是一種擬動(dòng)力分析，首先使用動(dòng)力方法計(jì)算質(zhì)點(diǎn)地震響應(yīng)，并使用統(tǒng)計(jì)的方法形成反應(yīng)譜曲線，然后再使用靜力方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。本橋依據(jù)JTG／T2231-01—2020《公路橋涵抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》。

抗震計(jì)算模型采用MidasCivil（2019）建立，墩梁固結(jié)處按剛性連接模擬，支座按實(shí)際位置建立節(jié)點(diǎn)加彈性連接模擬。

地震動(dòng)參數(shù)輸入，根據(jù)GB18306—2015《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》及《如美大橋勘察報(bào)告》，橋址區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.2g（對(duì)應(yīng)的地震基本烈度為Ⅷ度），地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45s，得到反應(yīng)譜曲線如圖5所示。

圖5 反應(yīng)譜曲線

4.3 位移響應(yīng)分析

在水平地震作用下結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置位移影響結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知，結(jié)構(gòu)在水平地震作用下，最大橫向和豎向位移均出現(xiàn)在主跨跨中，橫向?yàn)?2.326mm、豎向?yàn)?1.478mm，最大縱向位移出現(xiàn)在邊跨跨中其值為50.154mm。

4.4 內(nèi)力響應(yīng)分析

最不利截面出現(xiàn)在墩底，內(nèi)力響應(yīng)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 內(nèi)力響應(yīng)結(jié)果

重載作用下大跨結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)尺寸較常規(guī)橋梁有較大幅度的增加，這導(dǎo)致高烈度地震的作用下橋墩地震內(nèi)力響應(yīng)隨之增大，因此，在高烈度地震作用下，對(duì)重載橋梁的下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，墩身尺寸為2m×1.8m×7.7m，受力主筋采用HRB500高強(qiáng)鋼筋，并采用減隔震支座，以此滿足抗震要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）重載荷載效應(yīng)隨橋梁跨度增大而增大，在常規(guī)中小跨度時(shí)可考慮采用加強(qiáng)配筋解決結(jié)構(gòu)承載力問(wèn)題，當(dāng)采用大跨結(jié)構(gòu)時(shí)需要提高梁部截面尺寸滿足承載力要求。

（2）重載汽車車輛荷載的軸重遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于公路車輛荷載的軸重，需要對(duì)常規(guī)橋梁結(jié)構(gòu)的橋面板進(jìn)行承載力分析，對(duì)橋面板進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

（3）重載作用下大跨結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)尺寸較常規(guī)橋梁有較大幅度的增加，導(dǎo)致高烈度地震的作用下橋墩地震內(nèi)力響應(yīng)隨之增大，因此，在高烈度地震作用下，對(duì)重載橋梁的下部結(jié)構(gòu)鋼筋進(jìn)行加強(qiáng)，以滿足抗震要求。

（4）如美大橋橋區(qū)地震烈度為Ⅷ度，荷載等級(jí)為汽車-80級(jí)，為典型集重載和高地震烈度為一體的大跨度橋梁，可為后期類似重載大跨橋梁借鑒。