地震高烈度地區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)防落梁系統(tǒng)數(shù)值化分析

林 莉，何 必

（四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610017）

1 概述

最近20余年的震害表明，隨著人口向城市大量聚集和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，現(xiàn)代化城市對(duì)交通線的依賴(lài)性越來(lái)越強(qiáng)，一旦發(fā)生地震導(dǎo)致交通線遭到破壞，造成的生命財(cái)產(chǎn)以及間接損失也將會(huì)越來(lái)越大[1]。

由于工程場(chǎng)地可能遭受地震的不確定性，以及人們對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)地震破壞機(jī)理的認(rèn)識(shí)尚不全面，因此，橋梁抗震實(shí)際上還不能完全依靠定量的計(jì)算方法。實(shí)際上，歷次大地震的震害表明，一些從震害經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)出來(lái)的以及經(jīng)過(guò)基本力學(xué)概念啟示得到的構(gòu)造措施被證明可以有效地減輕橋梁的震害。

黃小國(guó)等[2]認(rèn)為對(duì)于連續(xù)梁橋應(yīng)采用墩梁連接的限位裝置模式來(lái)設(shè)計(jì)防落梁裝置，而采用連梁裝置是不能防止落梁的發(fā)生。李雪紅等[3]研發(fā)了一種具有耗能、限位雙重作用的新型防落梁裝置，新型耗能防落梁裝置滯回曲線形狀飽滿(mǎn)，有很好的耗能能力。設(shè)置該裝置能有效降低橋梁的地震響應(yīng)，其中墩（臺(tái)）梁相對(duì)位移減小60%左右，非過(guò)渡墩墩底剪力減小40%左右。燕斌等[4]提出一種防落梁裝置，與鉛芯橡膠支座并聯(lián)設(shè)置，在正常運(yùn)營(yíng)及設(shè)計(jì)地震作用下不發(fā)揮作用，僅在罕遇地震作用下限制主梁與橋梁墩臺(tái)間的相對(duì)位移，避免因支座破壞而引起的落梁震害。

2 防落梁（限位裝置）理論

在歷次破壞性地震中，由于連接構(gòu)造的設(shè)計(jì)缺陷引起的落梁震害極為常見(jiàn)。實(shí)際上，在隨機(jī)發(fā)生的地震作用下，橋梁的梁、墩之間相對(duì)位移是很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的，因此要避免震害落梁比較困難。在實(shí)際抗震設(shè)計(jì)中，世界各國(guó)普遍采用構(gòu)造措施防止落梁震害，包括兩個(gè)方面：①限制支承連接部位的支承面最小寬度；②在相鄰梁之間安裝縱向約束裝置[1]。前者可通過(guò)增加蓋梁或臺(tái)帽寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)，屬于多道設(shè)防的最后一道防線，后者則是本文的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

使用橫向和縱向限位裝置可以實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力反應(yīng)和位移反應(yīng)之間的協(xié)調(diào)。一般來(lái)講，限位裝置的間隙小，內(nèi)力反應(yīng)大，而位移反應(yīng)??；相反的若限位裝置的間隙大，則內(nèi)力反應(yīng)小，但位移反應(yīng)大。橫向和縱向限位裝置的使用應(yīng)使內(nèi)力反應(yīng)和位移反應(yīng)之間達(dá)到某種平衡。另外，橋軸方向的限位裝置移動(dòng)能力應(yīng)與支承部分的相適應(yīng)。

防止落梁構(gòu)造是在上、下部結(jié)構(gòu)上設(shè)置的連梁裝置或是突起構(gòu)造，其作用是在超預(yù)期地震作用下將上、下部結(jié)構(gòu)的相對(duì)變位限制在搭接長(zhǎng)度內(nèi)，在支座和下部結(jié)構(gòu)可能受損，上下部結(jié)構(gòu)的相對(duì)位移未達(dá)到搭接長(zhǎng)度限值時(shí)起作用。防止落梁構(gòu)造一般設(shè)置緩沖材料以緩和地震時(shí)的沖擊，留有余?？臻g以免損壞支座及其他防落梁裝置。橋梁限位裝置如圖1所示。

圖1 橋梁限位裝置

3 橋址區(qū)地質(zhì)地震評(píng)價(jià)

G7611線西昌至香格里拉（四川境）高速公路西昌支線是四川省18個(gè)地級(jí)城市繞城環(huán)線中的第5個(gè)，即西昌環(huán)線。本文研究的橋梁是該線路中較為典型的常規(guī)結(jié)構(gòu)。

根據(jù)對(duì)近場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)自公元前780年有地震記載以來(lái)的歷史地震統(tǒng)計(jì)結(jié)果，近場(chǎng)區(qū)25 km范圍內(nèi)共計(jì)發(fā)生3.0級(jí)以上地震48次，其中超過(guò)4.7級(jí)的破壞性地震17次，4.7～4.9級(jí)地震3次，5.0～5.9級(jí)地震6次，6.0～6.9級(jí)地震5次，7.0～7.9級(jí)地震3次，地震活動(dòng)頻率高，最大地震是1536年3月19日西昌新華7.5級(jí)地震和1850年9月12日西昌、普格間7.5級(jí)地震，發(fā)震構(gòu)造分別為安寧河?xùn)|支斷裂和則木河斷裂。

工程區(qū)所在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造上地處典型活動(dòng)構(gòu)造體系之青、藏、滇、緬、印尼“歹”字形構(gòu)造體系中部的川滇菱形活動(dòng)塊體東南邊界附近，具體位于中國(guó)西部著名的“Y”字形構(gòu)造帶南段安寧河-則木河斷裂帶上，該斷裂帶為川滇地塊邊界斷裂，其在晚第四紀(jì)直至全新世仍有強(qiáng)烈的活動(dòng)，中、強(qiáng)地震發(fā)育，區(qū)域斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，以南向北最為發(fā)育，北東向次之，北西向較少，總體構(gòu)造格架主要受南北向川滇構(gòu)造帶控制。

橋址區(qū)工程場(chǎng)地內(nèi)地表未發(fā)現(xiàn)全新世活動(dòng)斷裂構(gòu)造直接通過(guò)，擬建橋梁軸線以西最近約1.35 km的沙馬窩布斷層（F6）為早中更新世活動(dòng)斷裂，擬建橋梁以東最近約25 m的石安村斷裂（F7）為中更新世活動(dòng)斷裂。橋址區(qū)基本地震動(dòng)峰值加速度為0.30g，基本地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期為0.45 s，相應(yīng)的基本地震烈度為Ⅷ度。

橋位區(qū)地處強(qiáng)震區(qū)，地震時(shí)可能誘發(fā)中部沖溝泥石流災(zāi)害，工程場(chǎng)地屬于抗震危險(xiǎn)地段，橋位區(qū)所處的地質(zhì)構(gòu)造單元內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性差。綜上工程地質(zhì)條件分析得出，擬建橋梁橋位區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性差，需采取適宜工程措施后方可修建橋梁。

4 計(jì)算實(shí)例

4.1 橋型布置

橋梁采用5 m×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁，橋面連續(xù)；下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩，墩臺(tái)采用樁基礎(chǔ)。橋型布置和橋梁斷面分別如圖2、圖3所示。T梁梁高2.0 m、采用C50混凝土，0#、5#橋臺(tái)樁徑1.8 m，1#、4#橋墩柱徑1.8m，樁徑2 m；2#、3#橋墩柱徑2.0 m，樁徑2.2 m；1#～4#橋墩墩高分別為7.5 m、20.2 m、19.6 m、9.3 m，采用C35混凝土，0#～5#墩臺(tái)樁長(zhǎng)分別為25 m、25 m、30 m、30 m、25 m、25 m，采用C30水下混凝土。橋梁墩臺(tái)支座均采用GBZJ400 mm×450 mm×114 mm板式橡膠支座。

圖2 橋型布置

圖3 橋梁斷面

4.2 計(jì)算過(guò)程

（1）上部結(jié)構(gòu)、鋪裝、護(hù)欄合計(jì)重量M如表1所示。

表1 上部結(jié)構(gòu)、鋪裝、護(hù)欄合計(jì)重量M

（2）支座總縱橋向抗推剛度kb計(jì)算如下。

（3）橋墩抗推剛度k1如表2所示。

表2 橋墩抗推剛度k1

（4）橋墩和支座組合抗推剛度ks計(jì)算如式（2）所示。

（5）限位裝置作用的等效周期T計(jì)算如式（3）所示。

（6）水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜最大值Smax計(jì)算如下。本橋橋梁抗震設(shè)防分類(lèi)為B類(lèi)[5]。抗震設(shè)防目標(biāo)為在E1地震作用下，B類(lèi)橋梁在彈性范圍工作，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度基本保持不變。在E2地震作用下，B類(lèi)橋梁要求不倒塌，且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不能出現(xiàn)大幅降低，對(duì)于鋼筋混凝土橋梁墩柱，其抗彎承載能力降低幅度不應(yīng)超過(guò)20%。橋梁抗震重要性系數(shù)Ci=1.7。水平向場(chǎng)地系數(shù)Cs=1.00。結(jié)構(gòu)的阻尼比取0.05。阻尼調(diào)整系數(shù)水平向設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)峰值加速度峰值A(chǔ)=0.3g。

（7）限位裝置設(shè)計(jì)過(guò)程如下。

假設(shè)發(fā)生地震時(shí)，偏安全的假設(shè)支座完全失效，全部依靠限位裝置抵抗地震位移。假定橋墩在地震作用下的相對(duì)位移Dt1=0.0312 m，限位裝置的抗拉剛度kr1=204 000 kN/m，限位裝置的不工作間隙Gr=0，等效限位裝置剛度krej=204 000 kN/m，考慮限位裝置作用時(shí)，結(jié)構(gòu)等效抗推剛度kpj=194.64 kN/m，考慮限位裝置作用的等效周期Ti=866.95 s，相應(yīng)于等效周期T水平方向等效加速度反應(yīng)譜值Si=0.000 89，計(jì)算得橋墩在地震作用下的相對(duì)位移。

（8）橋墩容許位移計(jì)算如下。

取最高墩2#墩進(jìn)行計(jì)算，墩高20.2 m，墩徑2.0 m，主筋采用HRB400鋼筋，直徑32 mm，其等效塑性鉸長(zhǎng)度為L(zhǎng)P=min(LP1，LP2)。

截面等效屈服曲率如式（9）所示。

截面極限曲率如式（10）所示。

橋墩容許位移如式（11）所示。

（9）最小限位裝置設(shè)置數(shù)量計(jì)算如下。

由以上計(jì)算，當(dāng)橋墩所有支座處均設(shè)置限位裝置時(shí)，橋墩在地震作用下的相對(duì)位移Dsi=10.6 cm，小于雙柱墩容許位移Δu=24.47 cm，限位裝置有效。

經(jīng)計(jì)算，限位裝置所需最小截面積A=0.0811 m2，單個(gè)限位裝置截面積為0.0016 m2，由此可得最小限位裝置設(shè)置數(shù)量為0.0811/0.0016=50.7個(gè)，該橋梁設(shè)置60個(gè)，滿(mǎn)足要求。因此，可根據(jù)工程預(yù)算適當(dāng)減少限位裝置數(shù)量，以節(jié)省造價(jià)。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)處于世界兩大地震帶——環(huán)太平洋地震帶和亞歐地震帶之間，是一個(gè)強(qiáng)震多發(fā)的國(guó)家。我國(guó)地震的特點(diǎn)是發(fā)生頻率高、強(qiáng)度大、分布范圍廣、傷亡大、災(zāi)害嚴(yán)重。橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)越強(qiáng)烈，就越容易發(fā)生落梁等嚴(yán)重破壞現(xiàn)象，構(gòu)造措施就越重要，因此處于地震高烈度區(qū)的橋梁結(jié)構(gòu)需特別重視構(gòu)造措施的使用。

本文以一種較為簡(jiǎn)便的方法得到限位裝置的設(shè)置數(shù)量，但計(jì)算方法基于支座完全失效的假設(shè)，偏于安全也偏于保守，實(shí)際工程中可參照取用。