高烈度區單線鐵路大跨混凝土連續梁橋抗震設計

張蓓雯

(中鐵上海設計院集團有限公司,上海 200070)

1 概述

1.1 工程背景

徐洪河特大橋主橋位于宿遷泗洪縣歸仁鎮南,是宿淮鐵路跨越徐洪河橋梁。主橋采用(66+108+108+66) m預應力混凝土連續梁,見圖1。主橋段線路平面為直線,縱斷面位于R=15 000 m豎曲線上,單線橋,線路與河道夾角64°。橋位處河道順直寬闊,兩岸均筑有堤防,主堤內有青灘,主堤距約240 m,水面寬度115 m,水深6 m。橋位處現為Ⅴ級通航河道,規劃預留Ⅲ級航道,航道凈空：70 m(凈寬)×7 m(凈高)。

圖1 徐洪河特大橋主橋總布置(單位：cm)

1.2 橋位場地情況

橋址區域地勢平緩開闊,沒有引起滑移、坍塌的不良地質現象。橋址區場地地基土結構較有規律,下部地層分布穩定,未見大型活動斷裂通過。

橋址區域地層按其成因和時代分類主要有：第四系全新統(Q4al)黏性土,粉土、粉砂；第四系上更新統(Q3al)黏性土；第四系中更新統(Q2al)礫砂、黏土。區內第四系地層分布普遍廣泛且厚度大,構造形跡不發育,地質構造相對簡單。

1.3 抗震設防標準

根據國家標準《中國地震動參數區劃圖》(GB18306—2001),本場地抗震設防烈度為八度,地震動峰值加速度Ag為0.20g。本場地土屬中軟～中硬土,場地類別劃分為Ⅲ類場地。設計地震分組屬于第一組,地震動反應譜特征周期為0.45 s。

依據《鐵路工程抗震設計規范》(GB50111—2006)3.0.1條,本橋為主跨大于80 m的混凝土連續梁,抗震設防類別判定為B類,對應的抗震設防措施等級為8度。

1.4 結構抗震性能等級

根據徐洪河特大橋主橋的具體情況,確定主橋抗震設防標準及結構性能目標,見表1。

表1 主橋抗震設防標準及結構性能目標

2 抗震設計思路

本橋抗震設計遵循多水準設防、多性能目標的基于結構性能的抗震設計思路。

在橋梁抗震設計過程中,結合本工程具體特點,拋開了傳統的強度設計理論,選擇了以抗震概念設計為先導,結合橋梁結構地震反應分析,指導橋梁結構設計及抗震措施的三階段設計方法,確定了適合于本橋結構特點的結構體系及抗震體系,成功實現了預期的抗震設計目標。

2.1 抗震概念設計

地震作用是一種不規則的循環往復荷載,且具有很強的隨機性；橋梁結構的地震響應因場地條件及結構特性等因素影響,其破壞機理十分復雜。由此,若要進行精準的橋梁結構抗震設計則尤為困難。

20世紀70年代以來,研究人員在總結歷次震害的經驗中提出了“概念設計”的思想,并將其獨立于“數值設計”之上。抗震概念設計是指根據地震災害和工程經驗等獲得的基本設計原則和設計思想,正確地解決結構總體方案、材料使用和細部構造,以達到合理抗震設計的目的。合理的抗震設計,要求結構設計在實現抗震設防目標的同時,其在構件強度、剛度和延性等技術指標上達到最佳匹配,并具有優異的經濟性。

橋梁抗震概念設計主要包含2方面內容,即合理的橋梁結構選型和抗震體系選擇。

2.2 橋梁結構合理的抗震選型

2.2.1 橋位工程條件判定

本工程勘探結果顯示：橋址區地勢平緩開闊,略有起伏,沒有引起滑移、坍塌的不良地質現象,場地總體穩定。

橋址區場地地基土結構較有規律,下部地層分布穩定,未見大型活動斷裂通過。

區內第四系地層分布普遍廣泛且厚度大,構造形跡不發育,地質構造相對簡單。

場地內局部分布有液化土層②2粉土(Q4al),為輕微液化。主橋區域該土層缺失。

綜上所述,場地工程條件總體情況適宜橋梁建設。

2.2.2 橋式方案選擇

橋位處河道順直寬闊,兩岸均筑有堤防。東、西兩側主堤斷面差異較大,內側均有青灘,主堤距約240 m,中間主槽寬度約100 m,線路與河道夾角64°。由于線位走向受到沿線多處控制點的制約,跨河段斜交角經多次調整后已沒有進一步改善的可能。

技術人員在橋式方案的選擇過程中,重點關注以下幾方面因素。

(1)主孔跨度需滿足航道部門提出的Ⅲ級航道通行要求,即橋下航道凈寬需達到70 m。由于線路與河道的斜交角度較大,經仔細核算后確定橋梁通航主孔跨度需大于100 m。

(2)對于大橋建設水利部門也提出了十分嚴格的要求：跨河段墩位布置需避讓主堤迎坡面及堤頂區域,以確保大堤在大橋建成后的防汛安全。對于此要求的響應基本決定了大橋的跨度布置,因為根據徐洪河大堤及河道的實測斷面情況,西側跨堤橋孔的跨度需大于100 m,東側布跨情況雖略為有利,但也需布置60 m以上的邊孔。

(3)為最大限度減小橋墩對河道行洪及通航的不利影響,水利部門進一步對水中橋墩的布置做了規定：水中墩的截面必須采用圓形；橋墩基礎布置必須低于規劃航道河底高程。

基于上述情況分析,本橋適用的橋式基本局限于大跨梁式橋,即大跨連續梁或連續剛構。由于橋位處地勢平坦,河槽也較為寬淺,故墩高普遍較矮,其中最大墩高的水中墩為14～15 m,陸上墩分別為6.5～11 m,由此,連續剛構方案明顯不合理在方案研究之初便被舍棄,明確采用大跨連續梁方案。考慮到橋梁上部結構質量及結構特性對地震力效應的影響,設計人員進一步考慮在方案設計過程中合理控制聯長,并通過優化橋墩及樁基布置形式,進一步優化各橋墩剛度,使主橋各墩合理分擔水平地震力。

2.3 橋梁總體布置及結構設計

基于上述原則并結合結構敏感性分析,主橋結構最終確定為(66+108+108+66) m預應力混凝土連續梁,兩側相鄰聯橋跨分別為40 m混凝土簡支箱梁和32 m簡支T梁。

主橋各墩(61、62、63、64、65號)及基礎設計見表2,各墩剛度及剪跨比參數見表3。

表2 主橋各橋墩及基礎設計匯總

表3 橋墩剛度及剪跨比參數

其中61、62、65號墩為陸上墩,墩身采用圓端形實體斷面； 63、64號墩為水中墩,采用圓形實體斷面。在63號墩設固定支座,其余墩均設活動支座。

全橋基礎均采用鉆孔灌注樁,61、65號邊墩采用φ100 cm樁基礎,樁長37 m,持力層為④1中粗砂(Q3al)；62、63、64號主墩采用φ150 cm樁基礎,樁長50～53 m,持力層為④1中粗砂(Q3al)。

2.4 橋梁結構抗震體系選擇

根據橋梁結構設計及其工程條件建立全橋結構動力特性分析模型,采用反應譜法進行三水準下的地震響應分析,并對各水準下墩身、樁基及支座進行能力驗算,以準確評估結構的地震響應及抗震性能。

分析結果顯示：最初的橋梁設計在各水準地震力作用下,結構性能均顯示不足,特別是在設計地震及罕遇地震作用下,結構性能遠遠不能滿足抗震要求。各水準地震力作用下結構性能存在的主要問題如下。

(1)多遇地震

在多遇地震作用下各橋墩和樁基均保持在彈性狀態；支座位移在可接受的范圍內,僅橫向地震力輸入時, 61、65號墩支座水平抗剪能力不足,支座破壞。

(2)設計地震

在設計地震作用下,縱橋向輸入時63號墩身及樁基將發生屈服損傷；橫橋向輸入橋上無車時61、63號墩身及61、62、63、65號墩樁基發生屈服損傷；橫橋向輸入橋上有車時,63號墩身及61、62、63、65號墩樁基發生屈服損傷；63號墩固定支座水平抗剪能力不足,支座破壞。

(3)罕遇地震

在罕遇地震作用下,縱橋向輸入時63號墩身及63、64號墩樁基將發生屈服損傷；橫橋向輸入橋上有車及無車條件下,各橋墩及樁基均損傷嚴重,并承受較大的拉力；支座水平抗剪能力不足,支座破壞。

鑒于上述分析結果并結合本橋結構特點,設計人員曾運用傳統抗震設計方法即強度設計理論,對結構進行了設計比對,具體做法為：維持各墩墩身截面尺寸不變,通過增加墩身鋼材用量及加樁的方法來提升橋墩構件的強度,進而滿足預期的抗震性能要求。此比較方案與原方案結構設計對比見表4。

表4 方案結構設計對比

由表4對比可以看出,如選擇傳統抗震設計思路,則需大幅度增加材料用量,也會理所當然地導致工程投資的大幅上升。顯然,這不是理想的設計,同時也證明了傳統的強度設計思路已不適用此類橋梁結構,必須尋找新的解決方案。

進一步對比分析顯示：通過對結構施加一定的減隔震措施后,墩底及樁基內力均有明顯的改善,支座位移亦得到控制，罕遇地震作用下部分對比結果見圖2、圖3、圖4。這表明減隔震方案能在罕遇地震作用下能起到較好的減震效果,能有效地降低結構的地震響應,從而滿足預期的抗震性能要求。

圖2 縱橋向輸入時墩底彎矩對比

圖3 橫向輸入橋上無車時墩底彎矩對比

圖4 橫向輸入橋上有車時墩底彎矩對比

3 減隔震設計

3.1 減隔震體系設計

3.1.1 橋梁減隔震系統的特點

橋梁的減隔震系統主要具備以下3個特點：

(1)具備一定的柔度,用來延長結構周期,降低地震力；

(2)通過阻尼、耗能裝置等對地震力進行耗散,并將支承面處的相對變形控制在設計允許的范圍內；

(3)具備一定的剛度和屈服力,在正常使用荷載下結構不發生屈服和有害振動。

3.1.2 橋梁減隔震裝置的選擇

應用于橋梁工程中的減隔震裝置不僅要能減震耗能,還必須滿足正常運營荷載的承載要求。因此,在選擇橋梁工程減隔震裝置時需重點關注以下幾方面內容：

(1)進行減隔震設計時,應選用作用機構簡單的減隔震裝置,并在其力學性能明確的范圍內使用；

(2)在不同水準地震力作用下,減隔震支座都應保持良好的豎向荷載支承能力；

(3)減隔震裝置應具有較高的初始水平剛度,使橋梁在風荷載、制動力等作用下不發生過大的變形和有害振動；

(4)當溫度、徐變等引起上部結構緩慢的伸縮變形時,減隔震支座產生的抗力應比較低；

(5)減隔震裝置應具有較好的自復位能力,使震后橋梁上部結構能夠基本恢復到原來位置。

目前,國內市場上由各專業公司提供的橋梁減隔震產品十分豐富,常用的產品如：橡膠隔震支座(EBP)、高阻尼橡膠支座(HDRP)、擺式摩擦隔震支座 (FPB)、速度鎖定器(LUD)、粘滯阻尼器、彈塑性阻尼器(ED)等,這些產品在橋梁抗震設計中均有成功應用的案例。

3.2 減隔震體系方案設計

在減隔震體系方案的設計過程中,通過研究各種減隔震裝置對本橋的結構適應性,并進一步對比分析,最終確定適合于本橋的減隔震體系方案。

減隔震體系方案對比見表5。

表5 減隔震體系方案對比

通過對上述4個方案的對比分析,考慮減隔震裝置對橋梁結構的適應性及其減隔震效果,最終確定采用FPS支座并聯粘滯阻尼器的減隔震方案。

在初步確定減隔震體系的前提下,設計人員又進一步通過敏感性分析確定減隔震裝置的各項技術參數。

全橋各墩減隔震裝置平面布置見圖5，全橋各墩減隔震裝置技術參數見表6。

圖5 墩頂減隔震裝置平面布置(單位：cm)

表6 減隔震裝置主要技術參數

4 抗震措施及抗震構造設計

(1)通過調整各墩樁基布置形式及墩身截面尺寸,優化橋墩剛度匹配,使各墩合理分攤水平地震力,充分發揮墩身及基礎材料性能。

(2)選擇FPS支座并聯縱向阻尼器構成適應于本橋結構特性的減隔震系統,此系統在遭受水平地震力時受力明確,縱橫向發生位移自由協調,且由于系統采用了FPS支座,故結構在經歷地震后具有一定的自復位能力,有利于災后修復。

(3)根據橋梁結構特性及所采用減隔震系統的特點,合理確定減隔震裝置的目標位移。此項內容反映在橋墩頂帽結構尺寸設計方面,墩頂平面空間在滿足減隔震系統布置的同時,亦需滿足減隔震系統發生最大目標位移時的構造要求。

(4)為保證上部結構在地震發生時能自由位移,適當縮短邊孔結構長度,預留足夠的梁縫寬度滿足減隔震目標位移的要求。同時,對此處連續梁邊墩高低墩蓋梁結構進行特別處理,使高低墩蓋梁結構不侵入梁縫寬度范圍,進一步確保梁端位移空間。

(5)梁底設置橫橋向防落梁擋塊,擋塊與支承墊石間設置緩沖橡膠墊塊,且其間距離滿足減隔震系統最大目標位移要求。對于縱橋向防落梁設計,考慮到主橋邊墩設置高低蓋梁的因素,其對主橋上部結構可起到有效限制縱橋向位移的作用,故不再設置縱向支擋。但技術人員還是對結構在縱橋向的變位采取了進一步的防護措施,加長了主橋邊支座支承墊石縱橋向長度,以防止梁端支座意外滑落。

(6)合理確定FPS支座水平剪斷力取值區間,其下限值要求支座具有足夠的剛度和屈服強度,以避免其在正常使用狀態下出現因風荷載、制動力等引起的有害振動,即支座必須具備足夠的安全儲備以確保線路的正常運營；其上限值則要求支座在結構遭受超越多遇地震的地震力作用時能即刻剪斷,以使減隔震裝置及時參與工作,充分發揮其減隔震作用。

(7)根據鐵路工程抗震設計規范,加強墩身及鉆孔樁樁頂箍筋配置,并對橋墩與承臺、承臺與樁基的連接部位采取加強措施。

5 結語

(1)徐洪河特大橋抗震設計遵循了基于性能的抗震設計思想,實現了多水準設防、多性能目標的基于結構性能的抗震設計。

(2)采用了從抗震概念設計、地震反應分析、抗震措施3方面著手的方法,確定了適合于本橋工程特點的橋梁結構體系及抗震體系。其中,抗震概念設計及抗震措施相對于地震反應分析在工程實踐中更具實際意義。

(3)重視橋墩及其基礎的延性設計,結構設計在滿足強度驗算的同時注重構件的位移控制。

(4)根據工程特點,拋開了傳統的單一考慮“強度設計”的抗震設計方法,采用FPS支座并聯粘滯阻尼器的減隔震方案設計,工程建設顯示出了優越的經濟效益及技術先進性。對于高烈度區單線大跨鐵路橋梁,橋墩高度較低且剛度差別較大的情況,減隔震設計的優越性尤其突出。

(5)橋梁減隔震裝置的選擇注重結構簡單、受力明確、性能穩定并方便日后養護維修。

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