高地震區多跨長聯橋梁抗震設計

康 煒

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 工程概況

鄭州—西安客運專線是我國“四縱四橫”快速客運網中徐州—蘭州客運專線的重要組成部分,其中陜西省境內段落線路全長165.8 km,橋梁累計長度145.96 km(含聯絡線橋梁長度12.46 km),約占線路總長的88%,橋梁最大跨度120 m,最大墩高40.5 m[1]。線路于咸陽、渭南兩地共3次跨越渭河,該段范圍內渭河屬于游蕩性向彎曲性過渡的河段,由于受三門峽水庫的影響,潼關高程不斷抬高,使得渭河泥沙淤積嚴重,造成小水大災,泄洪能力不斷降低；同時渭河南岸支流入渭困難,經常決口泛濫；加之橋址上、下游7 km范圍有4座橋梁,更加惡化了行洪條件,因此防洪形勢十分嚴峻。鑒于渭河下游河道淤積嚴重、河勢游蕩多變,防洪形勢嚴峻,根據水利部門所做防洪評價報告對橋跨結構設計提出以下要求： (1)灘地凈跨度不小于40 m；(2)主河槽跨度：一跨渭河不小于64 m,且連續梁長度不小于800 m；二跨渭河不小于80 m,且渭河大提內應全部布置連續梁(>2 900 m)；三跨渭河橋主跨不小于120 m,且渭河大堤內應全部布置連續梁(>1 300 m)。三跨渭河特大橋橋位示意見圖1。

2 三跨渭河橋梁設計概況[2]

2.1 場地概況

根據場地地震安全性評價報告三跨渭河特大橋橋址場地特征值見表1。

圖1 三跨渭河特大橋橋位示意

表1 三跨渭河特大橋橋址場地特征值

2.2 橋梁設計概況

二跨渭河特大橋立面見圖2,橋梁設計概況見表2。

三跨渭河橋梁部均采用單箱單室截面,梁底均采用二次拋物線,箱梁外輪廓尺寸見圖3,橋墩采用圓端形實體橋墩,基礎采用樁基礎。

圖2 二跨渭河特大橋立面(單位：cm)

表2 橋梁設計概況

圖3 箱梁斷面(單位：cm)

3 抗震設計原則

(1) 抗震設計采用“三水準兩階段”設計原則[3]。

(2)地震力分析方法的確定,在設計過程中,針對二跨渭河橋分別進行了反應譜法和非線性時程法對比分析[4],分析結果見表3。

表3 地震力作用下固定墩縱向墩底彎矩分析對比 kN·m

從分析結果看,多遇地震情況下非線性時程分析法所得結果(與反應譜法相比)約小25%,設計地震二者基本相等。客運專線橋墩剛度要求高,截面尺寸大,三跨渭河橋墩普遍較低,這就使得難以在墩底形成塑性鉸,達不到延性分析條件。考慮到非線性時程分析過程中,采用了具有雙線性的非線性彈簧單元模擬活動墩滑動支座,摩擦系數取2%,同時考慮到實際工作的可操作性,設計采用反應譜法計算結構的動力響應。

(3)地震力計算時不考慮支座螺栓剪斷以及支座摩阻等產生的耗能作用,只在計算地震力時扣除活動墩支座摩阻力及固定支座螺栓剪斷后的支座摩阻力的影響。

(4)橋墩及基礎按多遇地震進行設計,連接構件按設計地震設計[3]。

4 多遇地震作用下橋墩及基礎抗震設計

4.1 地震力的計算條件

橋梁結構動力特性分析采用離散結構的有限元方法計算,有限元模型中以順橋向為X軸,橫橋向為Y軸,豎向為Z軸,梁與橋墩均離散為空間梁單元,主梁與墩頂在Z、Y方向建立全主從約束,制動墩與梁在X方向建立主從約束,其他墩與梁在X方向為自由滑動。基礎按樁土相互作用,按一般沖刷情況進行計算樁基礎的剛度,并考慮承臺的質量。地震力計算分別按縱、橫向兩種方式計算,取前200階模態,按SRSS法進行組合[5]。

4.2 地震力的計算結果(表4)

表4 地震力計算結果

根據計算結果可知,在多遇地震下,固定墩支座可承擔縱向地震水平力,可起到傳遞水平力的功能,同時可滿足抗震性能Ⅰ的要求。

4.3 橋墩及基礎設計情況[6，7]

橋墩基礎檢算結果見表5。

表5 橋墩基礎檢算結果

檢算結果表明：(1)客運專線橋墩剛度較大,活動墩地震力不控制橋墩設計,僅需按構造配筋即可；(2)客運專線對橋梁梁部剛度要求高,梁部自重大,給固定墩的設計帶來較大困難,特別是長聯大跨結構,墩身配筋已非常控制；(3)固定墩樁基出現受拉樁,受拉樁在滿足抗拉承載力的前提下,其配筋率已達到了極限2.1%；(4)在地震力作用下,樁基最大樁頂反力已達14 000 kN,承臺配筋亦達到極限。

5 設計地震作用下連接構件—抗震榫的設計

5.1 設計原則

(1)在設計地震作用下,固定支座已無法承擔水平地震力,按照震規,橋梁上、下部連接構件的抗震設防目標采用抗震性能要求Ⅱ,設計地震作用時,允許支座發生一定破壞,但必須能夠修復。具體而言,對盆式支座,其薄弱部位是上下盆與橋梁結構連接的錨固螺栓,而梁部錨固螺栓一旦破壞,修復將十分困難,因此將地震中允許破壞的部位設定為下部錨固螺栓處,其退出工作,抗震榫進入受力狀態,發揮抵抗地震水平力的作用。

(2)抗震榫完全按彈性設計時,所需結構尺寸較大,設置困難,故抗震榫按彈塑性進行設計。

(3)抗震榫錨固按極限狀態平衡法進行計算。

(4)由于縱向水平地震力巨大,僅靠固定墩設置抗震榫難以抵抗其作用,故在其相鄰活動墩墩頂設置抗震榫,通過限位設計,使3個橋墩上的抗震榫共同參與結構受力,即按抗震榫先后受力順序分配地震水平力。

5.2 抗震榫受力機理分析

抗震榫在彎矩作用下,當外緣應力達到屈服強度時,開始進入塑性變形狀態,截面最外緣應力達到屈服應力,當彎矩繼續增大時,截面最外緣應變繼續增大,而最大應力保持不變,即截面邊緣成為塑性,中間核心保持為彈性,體現在構件的應力應變曲線(圖4),可以近似地取εB=2εA,這是進行水平力分配的基本假定[8、9]。

圖4 鋼材σ-ε曲線

5.3 抗震榫設計(以一跨渭河為例)

不同截面最大彎矩與屈服彎矩比值見表6。

表6 不同截面最大彎矩與屈服彎矩比值k

從制造工藝、工程經濟、結構受力等多方面綜合考慮,選用上小下大的鋼混組合截面鋼箱混凝土(Q420q鋼箱內填充C40混凝土)。在固定墩及兩相鄰活動墩設置抗震榫,根據計算,結合橋墩及主梁構造,固定墩設置6根,相鄰兩活動墩各設4根,抗震榫具體尺寸詳見圖5。

圖5 抗震榫結構(單位：cm)

5.4 抗震榫的計算

5.4.1 地震力求解

求解思路：固定墩支座下錨栓剪斷退出工作,3個橋墩抗震榫開始受力。按照此工作原理,將抗震榫代入計算模型,與橋墩形成合成剛度,應用反應譜理論進行地震響應分析。計算結果為：(1)周期T=0.831 s；(2)地震總水平力∑P=70 190 kN；(3)墩頂梁位移量Si(i=1～8號墩)：S1=5.19 cm；S2=5.16 cm；S3=5.22 cm；S4=5.73 cm；S5=6.36 cm；S6=6.81 cm；S7=7.05 cm；S8=7.08 cm。

5.4.2 支座摩阻力計算

活動支座摩阻系數取0.05,固定支座被剪斷后摩阻系數取0.3,扣除上述兩項摩阻力后剩余水平地震力為：∑P1=∑P-∑f=50 247 kN。

5.4.3 抗震榫考慮塑性變形時水平力分配

(1)抗震榫與箱梁預留鋼盒縫隙的設定

為保證箱梁在正常使用狀態下的自由伸縮,活動墩抗震榫與箱梁預留鋼盒間預留2 cm間隙,固定墩預留5 mm。地震力作用下考慮升溫15 ℃,此時固定墩相鄰活動墩溫度位移量0.96 cm,在此工況下3個橋墩抗震榫距抗震錨盒邊緣的距離如圖6所示。

圖6 抗震榫距錨盒邊緣距離示意(單位：mm)

(2)抗震榫極限水平力的確定

抗彎性能：墩頂截面(不考慮鋼箱內混凝土) 截面面積A1=0.059 2 m2；截面慣性矩I1=2.28×10-3m4；

抗剪性能：梁底截面(考慮鋼箱內混凝土) 截面面積A2=0.027 m2

按照受拉、受壓側鋼板達到屈服強度,腹板應力可仍按線性分布計算,并忽略混凝土作用屈服彎矩Mmax=2σs×I1/h=3 557 kN·m；屈服剪力Pmax=Mmax/l=3 952 kN。

(3)地震水平力分配計算

地震水平力分配思路如下：

(4)抗震榫抗剪及錨固計算[10]

墩頂抗震榫內力：水平力P=3 417.7 kN,彎矩M=3 221.8 kN·m

抗震榫抗剪應力τ=P/A2=133 MPa<1.5[τ]=210 MPa

抗震榫錨固按極限狀態法計算,墩頂采用C40混凝土

根據圖7

(1)

x=0.4m

(2)

P1=5 007kN

抗震榫底部采用HRB335鋼筋焊接錨固于橋墩內。

所需鋼筋面積As=P1/335=14 947mm2,

錨固鋼筋采用φ32mmHRB335鋼筋,根數n=As/804.3=18根。

圖7 抗震榫錨固受力示意(單位：cm)

6 結語

高地震區長聯大跨橋梁結構的抗震設計是控制橋梁設計的重要因素,正確合理采用地震響應分析,既能使設計簡化,又使工程安全經濟。抗震聯接構件的合理設計尤為重要,抗震榫是行之有效的抗震措施之一,其結構簡潔方便,經濟效益明顯,且經久耐用,減少養護工作。

[1] 張多平.鄭西客運專線渭南渭河特大橋設計綜述[J].鐵道標準設計,2009(11)：43-47.

[2] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建鐵路鄭州至西安線施工圖渭南渭河特大橋設計圖[Z].西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司,2007.

[3] 中華人民共和國鐵道部.GB50111—2006 鐵路工程抗震設計規范(2009年版)[S].北京：中國鐵道出版社,2009．

[4] 同濟大學土木工程防災國家重點實驗室.鄭西客專渭南二跨渭河橋抗震性能研究報告[R].上海：同濟大學土木工程防災國家重點實驗室,2007．

[5] (美)陳惠發,段煉主編.橋梁工程抗震設計[M].蔡中民,武軍,等譯.北京：機械工業出版社,2008．

[6] 中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—2005 J462—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范[S].北京：中國鐵道出版社,2005．

[7] 中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—2005 J464—2005 鐵路橋涵地基和基礎設計規范[S].北京：中國鐵道出版社,2005．

[8] (美)S.鐵摩辛柯,J.蓋爾,著.材料力學[M].胡人禮,譯.北京：科學出版社,1978．

[9] 李承根講義.剪力榫的延性行為分析與結構減隔震設計[Z].西安：2008．