長聯多跨剛構-連續梁橋的抗震設計

劉 俊

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司橋梁設計院，北京 102600)

1 概述

近幾十年來，我國地震活動較為頻繁，幾次強烈的地震造成了十分嚴重的破壞后果。作為生命線工程之一的橋梁工程是交通網絡的重要組成部分，是交通運輸的樞紐工程，在抗震救災中處于極其重要的地位。鑒于橋梁震害的嚴重性，我國的橋梁抗震設計規范對橋梁結構的抗震設計提出了越來越嚴格的要求，除了延用“強度設防”的概念外，在延性抗震設計和減隔震設計方面也提出了具體的要求。

隨著我國鐵路建設的不斷發展，長聯多跨剛構-連續梁橋得到了越來越多的應用。現行的《鐵路工程抗震設計規范》(GB 50111—2006)并沒有對此類橋梁的抗震設計有明確的規定，因此，研究長聯多跨剛構-連續梁橋的抗震設計具有重要的現實意義。

本文以某鐵路橋主橋結構為(48+4×80+48)m剛構-連續梁為例來說明長聯多跨剛構連-續梁橋抗震設計過程及特點。

2 主要技術標準

(1)鐵路等級:Ⅰ級。

(2)正線數目:單線。

(3)設計速度:客車160 km/h，貨車120 km/h。

(4)橋面寬度:擋砟墻內側凈寬4.50 m，橋梁頂面總寬7.0 m。

(5)設計活載:中-活載。

(6)地震動參數:地震動峰值加速度0.214g;抗震設防烈度為8度。

(7)施工方法:掛籃懸臂灌注施工。

3 結構設計

主橋采用(48+4×80+48)m預應力混凝土剛構-連續梁，中間橋墩與主梁固結，其余兩側橋墩均設置單向活動支座。主橋全長416.0 m，最大墩高12.5 m。主梁采用C50混凝土，墩身采用C45混凝土，承臺采用C40混凝土，樁基采用C35混凝土。全橋立面布置如圖1所示。

圖1 全橋立面布置(單位:cm)

主梁為單箱單室變高度箱梁，箱梁典型截面梁高:端支座處、邊跨直線段和中跨中處均為3.8 m，邊跨直線段長9.65 m;中支點處梁高6.8 m，平段長4.0 m;梁高按圓曲線變化，圓曲線半徑R=229.667 m。主梁橫向為單箱單室直腹板截面，全橋箱梁底板寬4.0 m，頂板寬7.0 m，頂板厚0.35 m，腹板厚0.4～0.8 m，底板厚由直線段的0.4 m變化至中支點梁根部的0.9 m;主梁典型橫斷面如圖2所示。

圖2 主梁橫斷面(單位:cm)

主墩采用3.6 m×7.0 m矩形截面單柱實心墩，除交接墩外其他活動墩均采用4.0 m×7.0 m矩形截面單柱實心墩，交接墩采用3.5 m×7.0 m的圓端型截面;主墩基礎為18根φ1.5 m鉆孔灌注樁基礎，采用行列式布置，橋墩編號從左至右為1號～7號墩，其中4號墩為剛構墩，其他各墩均為活動墩。各墩墩身、樁基配筋設計見表1。

表1 墩身、樁基配筋設計

懸臂施工澆筑梁段分成3.0、3.5 m和4.0 m，全橋共分95個梁段，最大懸臂澆筑塊重1 121 kN。0號段長度采用10.0 m，合龍段長2.0 m。

4 有限元模型

本文采用空間有限元方法建立了該橋的計算模型，如圖3所示。主梁、主墩均采用空間梁元模擬;主墩樁基周圍土的約束作用，根據文獻［1］可用承臺底6個自由度的彈簧剛度模擬樁土相互作用，彈簧剛度數值根據文獻［2］的“m”法確定，土的抗力取值比靜力大，一般取m動=(2～3)m靜，計算得到各墩承臺底的剛度系數如表2所示;其中KX、KY、KZ分別表示沿縱橋向、橫橋向、豎向線剛度系數，KXX、KYY、KZZ分別表示沿縱橋向、橫橋向、豎向轉動剛度系數，KXY、KYX分別表示水平線剛度與轉動剛度的相關系數，在模型中指定節點彈簧輸入各墩承臺底的剛度系數來模擬樁基礎的作用;支座作用通過在梁部與墩頂相應節點建立連接單元來模擬，按實際支座布置方式建模，具體的支承連接條件如表3所示，“0”表示無約束，“1”表示有約束，“K”表示輸入剛度值。主梁與剛構墩之間通過剛臂連接。

圖3 空間有限元模型

表2 樁基礎剛度矩陣

表3 成橋狀態的支承連接條件

5 地震動輸入

5.1 水平加速度反應譜

根據《中國地震動參數區劃圖》(GB18306—2001)可知，該橋位于高震區。鑒于本橋結構和場地的特殊性，委托相關地震研究中心對工程場地的地震安全性進行評價。地震研究中心給出的地震安全性評價報告中提供了該橋基巖水平加速度反應譜(阻尼比0.05)。其動力放大系數

水平向設計地震動參數如表4所示，動力放大系數如圖4所示。

表4 水平向設計地震動參數(ξ=0.05)

圖4 動力放大系數β曲線

5.2 基巖人造地震動時程

地震研究中心給出的地震安全性評價報告中提供了該橋50年63%、10%、2%3種不同超越概率水平下基巖處加速度時程曲線，對應每種超越概率分別給出了3個樣本，如圖5所示(僅示第1個樣本)。

圖5 50年不同超越概率下水平向地震動加速度時程

6 抗震設計

6.1 常規設計

在常規設計中，多跨剛構連續梁橋除剛構墩外其他活動墩一般只設置縱向活動支座，支座設置橫向約束，以保證結構具有足夠的橫向剛度滿足正常使用的要求，各墩墩頂處的支座約束方式參見表3。常規設計下前6階自振頻率及振型特征描述見表5。

表5 常規設計前6階自振頻率及振型特征描述

由文獻［3］可知，該橋屬于B類橋梁，地震作用的重要性系數Ci為1.5;抗震驗算應計入豎向地震作用的影響，豎向地震基本加速度取水平地震基本加速度的0.65倍;應對結構按多遇地震進行橋墩、基礎的強度驗算;按設計地震驗算上、下部結構連接構造的強度;按罕遇地震對橋墩進行延性驗算。

本文分別運用反應譜法、一致激勵動態時程法對結構進行地震響應分析，地震響應結果取反應譜、時程計算結果中較大值。其中，在多遇地震(50年－63%)作用下地震輸入采用2種方式:(1)水平縱向+豎向;(2)水平橫向+豎向，各墩墩底的內力響應見表6，在設計地震(50年－10%)作用下各橋墩縱向活動支座的橫向剪力響應見表7。

表6 多遇地震常規設計下各墩墩底的內力響應

由計算結果可知，常規設計多遇地震作用下，剛構墩順橋向、橫橋向的地震響應均明顯大于其他活動墩，活動墩對結構抵抗順橋向地震作用的貢獻很小，各墩抗震設計的控制斷面均為墩底截面。由于橋址處地震動峰值加速度較大，場地的特征周期較長，橋梁結構的聯長較長、橋墩較矮，所以剛構墩的內力響應很大。在設計地震作用下，各活動墩支座的橫向剪力響應最大達到支座噸位的49.5%，普通的支座很難滿足抗震設計規范對支座抗震驗算的要求。

表7 設計地震常規設計下各支座的橫向剪力響應

6.2 減隔震設計

對于橋梁結構，通常采用在梁體與墩臺的連接處安裝減隔震支座、阻尼器，通過延長結構的周期、增加結構阻尼來有效地減小結構的地震反應。該橋通過在各活動墩設置雙曲面球型減隔震支座來減小結構的地震反應，達到滿足抗震設計要求的目的。

雙曲面球型減隔震支座的抗震工作機理比較明確，其構造如圖6所示，可以用等效線性化模型來模擬，其滯回曲線如圖7所示。該橋選用的雙曲面球型減隔震支座的各項參數如表8所示。

圖6 雙曲面球型減隔震支座構造示意

圖7 雙曲面球型減隔震支座的滯回曲線

表8 雙曲面球型減隔震支座主要參數

在多遇地震下減隔震設計下各墩墩底的內力響應 見表9。

表9 多遇地震減隔震設計下墩底的內力響應

從計算結果可以看出，在多遇地震作用下，與常規設計相比，減隔震設計后該橋的地震響應大幅減小，剛構墩的內力地震響應減小超過50%。

7 抗震驗算

7.1 多遇地震作用下橋墩、基礎的強度驗算

由文獻［3］可知，應按照以下4種工況:(1)順橋向無車，恒載+豎向地震力+順橋向地震力;(2)順橋向有車，恒載+靜活載+豎向地震力+順橋向地震力;(3)橫橋向無車，恒載+豎向地震力+橫橋向地震力;(4)橫橋向有車，恒載+靜活載+豎向地震力+橫橋向地震力(計50%的列車活載引起的地震力)對結構按多遇地震進行橋墩、基礎的強度驗算。常規設計、減隔震設計在多遇地震作用下橋墩及樁基礎的檢算結果如表10～表12所示。

表10 多遇地震下橋墩強度檢算結果 MPa

表11 多遇地震下樁基礎強度檢算結果 MPa

從檢算結果可以看出，在多遇地震作用下，常規設計中3號～5號墩鋼筋的最小應力超出規范要求，2號～5號墩的樁基最大豎向力超出了單樁允許承載力;減隔震設計后結構的地震力大幅減小，橋墩、樁基礎的強度驗算，樁基礎的承載力驗算均滿足規范要求。

表12 多遇地震下樁基礎承載力檢算結果 kN

7.2 設計地震作用下支座的檢算

由文獻［3］可知，應按設計地震驗算支座的抗剪能力。常規設計、減隔震設計在設計地震作用下各橋墩縱向活動支座的橫向剪力響應如表13所示。

由表13中結果可知，在設計地震作用下，支座所承受的水平力超過減隔震設計中的雙曲面球型減隔震支座抗剪銷的水平承載力時，抗剪銷被剪斷，支座的限位約束被解除，支座所承受的剪力響應大大減小。在恢復力的作用下，地震發生后雙曲面球型減隔震支座很容易復位，只需要更換支座的抗剪銷，支座又能恢復正常使用。

表13 設計地震下各支座的橫向剪力響應

7.3 罕遇地震作用下橋墩的延性檢算

由文獻［3］可知，應按罕遇地震對鋼筋混凝土的橋墩進行延性驗算，非線性位移延性比μu=Δmax/Δy應小于允許位移延性比4.8，其中Δmax為橋墩的非線性最大位移響應，Δy為橋墩的屈服位移。常規設計、減隔震設計在罕遇地震作用下剛構墩的延性驗算如表14所示。

表14 罕遇地震下剛構墩的延性驗算

由表14中計算結果可知，在罕遇地震作用下，減隔震設計下各個橋墩的非線性最大位移響應與常規設計下相比偏小。常規設計中順橋向的剛構墩和橫橋向的所有橋墩均已屈服，減隔震設計中順橋向的剛構墩和橫橋向的交接墩均已屈服，位移延性比均小于4.8，滿足抗震規范中延性檢算的要求。

8 結語

傳統的結構抗震設計方法是依靠增加結構構件的尺寸、配筋從而提高結構自身的強度、變形能力來抗震的，盡管通過適當選擇塑性鉸的發生順序和細部延性設計可以防止結構的倒塌，但結構構件的損傷不可避免。采用減隔震裝置可以將結構與可能引起破壞的地震地面運動或支座運動分離開，從而大大減少結構的地震力。本文中的(48+4×80+48)m預應力混凝土剛構－連續梁橋，采用雙曲面球型減隔震支座進行減隔震設計后，橋墩、基礎的內力地震響應，支座承受的剪力及橋墩的非線性最大位移響應均大大減小，在與常規設計同等條件下，采用減隔震設計可以大大提高結構的抗震性能。

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［4］范立礎，王志強.橋梁減隔震設計［M］.北京:人民交通出版社，2001.

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