長(zhǎng)聯(lián)大跨公鐵兩用橋減隔震設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用

楊喜文,任為東,雷昕弋,楊海洋

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外強(qiáng)震頻發(fā)，由于橋梁工程遭到嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致震區(qū)交通生命線中斷，從而給救災(zāi)工作帶來(lái)巨大困難，造成了嚴(yán)重的次生災(zāi)害[1]。我國(guó)汶川地震中鐵路橋梁出現(xiàn)了落梁和垮塌等嚴(yán)重震害[2-4]。

公鐵兩用橋同時(shí)承載著公路和鐵路交通，處于跨越大江大河等天塹的交通咽喉位置，是極其重要的生命線工程，抗震設(shè)防類別高。長(zhǎng)聯(lián)大跨公鐵兩用連續(xù)梁橋與斜拉橋或懸索橋等本身具有長(zhǎng)周期特點(diǎn)的橋梁相比，質(zhì)量大，剛度大，抗震設(shè)計(jì)困難。

目前，橋梁結(jié)構(gòu)常用的抗震體系主要有延性體系[5-6]和隔震體系[7-9]?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計(jì)思想，功能評(píng)估地震(多遇地震×重要性系數(shù))作用下，通過(guò)強(qiáng)度設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)正常使用狀態(tài)的性能目標(biāo)；安全評(píng)估地震(罕遇地震)作用下允許結(jié)構(gòu)發(fā)生彈塑性變形，通過(guò)位移設(shè)計(jì)和構(gòu)件的強(qiáng)度能力保護(hù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)生命安全狀態(tài)或避免倒塌狀態(tài)。延性體系通常允許結(jié)構(gòu)在墩柱上發(fā)生彎曲彈塑性變形，因此，要求墩柱為長(zhǎng)柱，剪跨比≮2.5，且≯10；隔震體系允許結(jié)構(gòu)彈塑性變形發(fā)生在墩-梁連接部位。因此，延性體系適用于墩高較大，剛度較小的結(jié)構(gòu)；而隔震體系適用于墩高較小，沒(méi)有延性能力，剛度大的結(jié)構(gòu)。

依托鄭濟(jì)鐵路黃河公鐵兩用橋的主橋(112+6×168+112) m連續(xù)鋼桁梁橋，研究長(zhǎng)聯(lián)大跨公鐵兩用橋的抗震設(shè)計(jì)。

1 工程概況

鄭濟(jì)鐵路黃河公鐵兩用橋?yàn)殡p層布置，上層為雙線6車道，下層為四線鐵路。其中，鄭濟(jì)鐵路為雙線，線間距5.0 m，無(wú)砟軌道，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km；新鄭市域鐵路為雙線，線間距5.0 m，無(wú)砟軌道，設(shè)計(jì)時(shí)速160 km。

黃河特大橋公鐵合建段長(zhǎng)12.18 km，主橋?yàn)?112+6×168+112) m變高三主桁連續(xù)鋼桁梁，立面布置如圖1所示。

圖1 鄭濟(jì)鐵路黃河公鐵兩用橋主橋立面布置(單位：m)

鋼桁梁跨中橫斷面如圖2所示，三片主桁間距為13.4 m，標(biāo)準(zhǔn)段桁高15.0 m，支點(diǎn)位置下加高15.0 m，總高為30 m。橋墩為三柱墩，墩柱橫向間距13.4 m，對(duì)應(yīng)三片主桁的間距，墩柱為順橋向圓端形，順橋向長(zhǎng)7.0 m，邊柱橫向?qū)?.0 m，中柱橫向?qū)?.0 m。交界墩378號(hào)和386號(hào)高度分別為24.0 m和32.0 m；中墩379號(hào)～382號(hào)高度比較接近，為10.5～13.5 m，其中382號(hào)墩為固定墩；其余中墩383號(hào)～385號(hào)稍高，為17.0～20.0 m。三墩柱采用整體式承臺(tái)，382號(hào)固定墩為36根φ2.0 m鉆孔灌注樁，其余中墩為32根φ2.0 m鉆孔灌注樁。

圖2 跨中斷面(單位：mm)

2 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和性能目標(biāo)

根據(jù)GB 50111—2006《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2009年版)，跨越大江、大河，且技術(shù)復(fù)雜、修復(fù)困難的特殊結(jié)構(gòu)橋梁屬于A類橋梁。根據(jù)地震安評(píng)結(jié)果，橋址為Ⅶ度，0.15g震區(qū)，設(shè)計(jì)地震地表水平加速度為151 gal，特征周期為0.5 s，多遇地震、設(shè)計(jì)地震和罕遇地震的加速度反應(yīng)譜如圖3所示，連續(xù)鋼桁梁的阻尼比取3%，參照現(xiàn)行GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)反應(yīng)譜進(jìn)行修正，阻尼修正系數(shù)為1.156。

圖3 地震加速度反應(yīng)譜(阻尼比5%)

按照兩階段設(shè)計(jì)方法，地震水準(zhǔn)1(功能評(píng)估地震)取1.5倍多遇地震，相應(yīng)性能目標(biāo)為正常使用狀態(tài)，即結(jié)構(gòu)不損壞或輕微損壞，能夠保持正常使用功能，結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段；地震水準(zhǔn)2(安全評(píng)估地震)取罕遇地震，相應(yīng)性能目標(biāo)為生命安全狀態(tài)，即可能損壞，經(jīng)修復(fù)短期內(nèi)可恢復(fù)使用功能，結(jié)構(gòu)處于非彈性工作階段。

3 抗震體系和有限元模型

3.1 抗震體系和支座選型

因運(yùn)行高速列車的需要，大跨公鐵兩用橋的剛度要求大，使得墩柱采用了較大的截面尺寸。中墩剪跨比均小于2.5，不滿足長(zhǎng)柱要求，屬于矮墩橋梁，沒(méi)有延性能力，因此，從概念設(shè)計(jì)角度不采用延性抗震體系，而采用隔震體系。正常運(yùn)營(yíng)及地震水準(zhǔn)1作用下，支座固定方向設(shè)置剪力銷，支座正常工作；地震水準(zhǔn)2作用下，允許剪力銷剪斷，支座發(fā)揮隔震作用，地震位移較大的情況下可采用黏滯阻尼器等附加阻尼裝置控制地震位移。因中墩支座噸位近1.0×105kN，考慮到支座噸位和耐久性要求，減隔震支座采用摩擦擺式鋼支座，而不考慮橡膠類減隔震支座[10-11]。

3.2 有限元模型總體情況

鋼桁梁桿件、墩柱離散為梁?jiǎn)卧?，橋面板離散為板單元，采用6×6耦合彈簧考慮樁基礎(chǔ)的柔性[12]，樁基剛度計(jì)算按一般沖刷線考慮。有限元模型如圖4所示。

圖4 鄭濟(jì)鐵路黃河公鐵兩用橋主橋抗震分析計(jì)算模型

全橋支撐體系布置情況：各墩均設(shè)置摩擦擺支座，其中，382號(hào)墩在正常使用和地震水準(zhǔn)1作用下為固定墩；因隔震狀態(tài)地震位移控制需要，378號(hào)～380號(hào)和384號(hào)～386號(hào)橋墩上設(shè)置了沿順橋向的黏滯阻尼器。

包含二期恒載，上部結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為14萬(wàn)t。

3.3 摩擦擺支座和黏滯阻尼器的力學(xué)模型

隔震狀態(tài)下，摩擦擺隔震支座的側(cè)向力F等于摩擦力與回復(fù)力之和[13-18]。

(1)

式中，μ為滑動(dòng)球面的摩擦系數(shù)；W為上部結(jié)構(gòu)的豎向荷載；D為支座水平位移；H為滑動(dòng)球面與轉(zhuǎn)動(dòng)球面之間的球心距。支座屈后剛度(支座克服摩擦力μW滑動(dòng)后的剛度)為

(2)

黏滯阻尼器的力學(xué)模型可用下式表示[19-20]

F=CVα

(3)

式中，F(xiàn)為阻尼力；C為阻尼系數(shù)；V為阻尼器相對(duì)速度；α為速度指數(shù)，其值范圍在0.1～2.0，橋梁抗震實(shí)際工程中常用值一般在0.2～0.5范圍內(nèi)。

3.4 摩擦擺支座和阻尼器參數(shù)確定

摩擦擺支座的主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括隔震半徑H和摩擦系數(shù)μ。因滑板材料的摩擦系數(shù)與環(huán)境溫度、油脂狀態(tài)及磨耗等情況有關(guān)，并不十分穩(wěn)定，其通常在0.02～0.05之間變化。因此，設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)摩擦系數(shù)取包絡(luò)設(shè)計(jì)，即計(jì)算下部結(jié)構(gòu)受力時(shí)采用0.05，計(jì)算支座位移時(shí)采用0.02。

隔震半徑通過(guò)參數(shù)分析確定，參數(shù)分析時(shí)取R=4，5，6 m。支座發(fā)揮隔震作用的情況下，采用罕遇地震荷載進(jìn)行隔震半徑參數(shù)分析，結(jié)果如圖5所示。由分析結(jié)果可知，支座發(fā)揮隔震作用后，隔震半徑對(duì)基礎(chǔ)的地震反力影響不大，支座變形受隔震半徑影響較為明顯，但在上述隔震半徑參數(shù)情況下，支座變形能夠控制在0.25 m以內(nèi)，考慮到支座噸位較大，選擇隔震半徑為6 m。

圖5 摩擦擺支座參數(shù)分析結(jié)果

黏滯阻尼器的設(shè)計(jì)參數(shù)主要為阻尼系數(shù)C和速度指數(shù)α。用于橋梁的黏滯阻尼器α通常取0.2～0.5之間，α越小，阻尼器的滯回曲線越飽滿，反應(yīng)越敏感，但制造難度會(huì)增加。因此，α值通常取0.3或0.4，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)取0.4。C值通過(guò)參數(shù)分析確定，參數(shù)分析時(shí)取C為3 000，4 500 kN/(m/s)0.4和6 000 kN/(m/s)0.4，阻尼器主要是配合摩擦擺支座控制梁體位移，因此分析過(guò)程中考慮支座已發(fā)揮隔震作用，分析方法與摩擦擺支座隔震半徑H的參數(shù)分析相同。分析結(jié)果如圖6所示。阻尼系數(shù)C對(duì)于基礎(chǔ)的地震反力影響不大，主要對(duì)墩梁相對(duì)位移和阻尼器的阻尼力影響顯著?？紤]到阻尼器連接件的設(shè)計(jì)難度，以及地震位移控制效果，阻尼系數(shù)C取3 000 kN/(m/s)0.4。

圖6 阻尼器參數(shù)分析結(jié)果

4 結(jié)構(gòu)抗震分析

4.1 分析方法

地震水準(zhǔn)1作用下，采用反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，確定支座剪力銷的剪斷力，采用容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)墩柱強(qiáng)度和樁基礎(chǔ)長(zhǎng)度；地震水準(zhǔn)2作用下，采用非線性時(shí)程分析方法計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，確定支座的變形能力，采用極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)墩柱和樁基的強(qiáng)度。

地震荷載分別沿順橋向和橫橋向輸入，非線性時(shí)程采用地震安評(píng)提供的人工加速度時(shí)程。

4.2 地震水準(zhǔn)1的分析結(jié)果

地震水準(zhǔn)1為功能評(píng)估地震，性能目標(biāo)是正常使用狀態(tài)，結(jié)構(gòu)保持彈性。除固定中墩在順橋向地震作用下為大偏心受壓外，橋墩均為小偏心受壓，地震分析和驗(yàn)算結(jié)果不再贅述。

地震水準(zhǔn)1作用下，支座固定方向要求保持固定狀態(tài)，因此，剪力銷的剪斷力應(yīng)不小于地震作用下的支座剪力反應(yīng)。剪斷力設(shè)計(jì)值在地震水準(zhǔn)1支座剪力反應(yīng)的基礎(chǔ)上向上取整，并考慮0～+25%的正誤差，剪斷力設(shè)計(jì)結(jié)果如表1所示，相應(yīng)地震不小于1.5倍的多遇地震。在下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和驗(yàn)算中考慮了剪斷力提高的影響。

表1 摩擦擺支座剪力銷剪斷力

4.3 地震水準(zhǔn)2的分析結(jié)果

地震水準(zhǔn)2為安全評(píng)估地震，相應(yīng)性能目標(biāo)為生命安全狀態(tài)，即可能損壞，經(jīng)修復(fù)短期內(nèi)能恢復(fù)使用功能，結(jié)構(gòu)整體處于非彈性工作階段。隔震體系的彈塑性變形發(fā)生在墩-梁連接構(gòu)件，摩擦擺支座和阻尼器在罕遇地震作用下的滯回曲線如圖7～圖9所示。

圖7 中桁支座滯回曲線

圖8 邊桁支座在橫向地震荷載作用下的滯回曲線

圖9 阻尼器滯回曲線

摩擦擺支座的回復(fù)力與壓力有關(guān)，邊桁支座在橫向地震荷載作用下支座的壓力大小存在變化，壓力增加時(shí)滯回曲線變的飽滿，位移減小，壓力減小時(shí)滯回曲線變的窄小，但位移增加；分析結(jié)果顯示，盡管壓力存在變化，本橋邊桁支座始終處于可靠的受壓狀態(tài)；中桁支座及地震荷載沿順橋向作用時(shí)邊桁支座壓力變化不明顯，因此，滯回曲線較為穩(wěn)定規(guī)整。

罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)主要分析結(jié)果如圖10、圖11所示，主要包括承臺(tái)底反力、支座變形和支座剪力。為對(duì)比采用隔震體系的減震效果，圖中給出了支座固定方向保持約束工況下的分析結(jié)果作為比較。

圖10 地震沿順橋向作用分析結(jié)果

圖11 地震沿橫橋向作用分析結(jié)果

由分析結(jié)果可知，采用隔震體系后，順橋向，固定墩基礎(chǔ)反力和支座剪力大幅減小，基礎(chǔ)水平反力減小約40%，彎矩減小約60%，支座剪力減小約85%，通過(guò)設(shè)置阻尼器可將墩梁相對(duì)位移控制在0.25 m左右；橫橋向，中墩基礎(chǔ)的反力和支座剪力同樣大幅減小，基礎(chǔ)水平力減少40%以上，彎矩減少53%以上，支座剪力減小90%以上，支座變形量可控制在0.20 m左右。因此，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不再由地震控制，設(shè)計(jì)難度和投資得到降低。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，支座地震位移反應(yīng)約為0.25 m，考慮溫度變形和安全系數(shù)后，支座設(shè)計(jì)位移取±0.45 m。

5 結(jié)論

我國(guó)現(xiàn)行《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》2009年修訂過(guò)程中增加了“條件允許時(shí)，可采用隔震、耗能裝置，減小構(gòu)筑物的地震反應(yīng)”條款，但對(duì)于隔震設(shè)計(jì)方法還沒(méi)有詳細(xì)規(guī)定。以鄭濟(jì)鐵路黃河公鐵兩用橋的長(zhǎng)聯(lián)大跨連續(xù)鋼桁梁為依托，針對(duì)長(zhǎng)聯(lián)大跨鐵路橋梁下部結(jié)構(gòu)剛度大，上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量大的特點(diǎn)，研究了該類橋梁的減隔震設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用。通過(guò)兩階段設(shè)計(jì)，由功能評(píng)估地震確定摩擦擺支座剪力銷的剪斷力，并進(jìn)行下部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)；由安全評(píng)估地震確定支座的變形能力，并驗(yàn)算下部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)了基于性能的抗震設(shè)計(jì)，達(dá)到了地震水準(zhǔn)1下正常使用和地震水準(zhǔn)2下保證生命安全，震后功能可恢復(fù)的性能設(shè)計(jì)目標(biāo)。