唐山曹妃甸工業區西通路高架工程抗震設計

張元凱

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

1 概述

唐山曹妃甸西通路高架橋工程始于二港池西區中路（K0+000），隨后跨越納潮河上的二港池大橋和一港池大橋，和正在建設中的西通路地面道路對接后沿線向東延伸，終于通島路東側（K11+170），全長11.17 km。一期實施工程范圍：K5+985.000～K6+868.000，橋梁主線全長883 m。主橋長度276 m，采用兩座跨徑為138 m的單索面鋼管混凝土系桿拱橋，主梁為鋼-混凝土組合結構，橋面寬度29.5 m，鉆孔灌注樁群樁基礎。圖1為主橋跨徑布置圖；圖2為橋梁橫斷面布置圖。

該工程位于唐山市，屬歷史強震區，抗震設防烈度為7度區，地震動峰值加速度0.15 g，地震動反應譜特征周期為0.4 s。對中等跨度的梁式橋的抗震設計，一般參照《公路橋梁抗震設計規范》（JTG 004-89）執行。但該規范適用范圍有限，存在一些迫切需要解決的問題，如：單純依靠強度抗震設防的問題、綜合影響系數的問題、對基礎保護不足的問題、對細部抗震構造設計的規定不足的問題等，已遠遠落后于目前國內外橋梁抗震研究水平。鑒于該工程的規模及其位于強震區的特點，目前沒有可依據的抗震規范，需做專門的抗震研究，以確保該工程的抗震安全性。

2 抗震設防標準、性能目標和地震動參數

2.1 抗震設防標準

根據目前的抗震設計發展水平，西通路高架橋工程抗震設計采用了兩水準抗震設防、兩階段設計和基于結構性能的抗震設計思想。對主橋部分，采用《公路橋梁抗震設計細則》中A類橋梁抗震設防標準：即50 a10%（E1地震作用）和50a3%（E2地震作用）兩種超越概率地震動進行抗震設防；對于引橋部分，采用《公路橋梁抗震設計細則》中B類橋梁抗震設防標準：即50 a63%，考慮1.3重要性系數（E1地震作用）和50 a3%（E2地震作用）兩種超越概率地震動進行抗震設防。

2.2 抗震性能目標

根據主橋和引橋的設防水準，針對不同的結構體系，采用基于結構性能和構件能力保護的抗震設計原則，提出了主橋和引橋各主要構件在不同設防水準下的性能目標。

2.2.1 主橋

主橋橋墩和基礎等在E1地震作用下基本不發生損傷；在E2地震作用下，雖然可發生可修復的損傷，但要求地震發生后，基本不影響車輛的通行。

2.2.2 引橋

橋墩和基礎等在E1地震作用下基本不發生損傷，在E2地震作用下，墩柱可發生損傷，進入塑性，按延性設計，但要求結構不倒塌，震后可以修復，可供緊急救援車輛通過。

2.3 地震動參數

基于《防震減災法》，重大建設工程和可能發生嚴重次生災害的建設工程，必須進行地震安全性評價，并根據地震安全性評價的結果，確定抗震設防要求，進行抗震設防。據此，委托河北省工程地震勘察研究院對該項工程進行了地震安全評價，對一港池大橋工程進行了地震危險性分析，確定了橋址場地的地震動特性，提供了在不同超越概率下對應的地震動參數（包括加速度反應譜和地震時程曲線），見表1所列。

圖1 主橋跨徑布置圖（單位：m）

圖2 橋梁橫斷面布置圖（單位：m）

表1 場地設計地震動參數表

表中：PGA——地表加速度峰值；

αmax——地震影響系數最大值；

βmax——標準設計反應譜最大值；

Tg——反應譜特征周期。

3 橋梁抗震性能研究

3.1 主橋抗震性能研究

采用Sap2000有限元程序，按照不考慮河床沖刷（河床底標高-15 m）和考慮5 m河床沖刷后（河床底標高-20 m）兩種情況，分別建立一港池大橋主橋，以及與之銜接的兩側引橋的動力空間計算模型（見圖3）。兩種情況下計算模型除土彈簧剛度不同外，其他參數皆為相同。

圖3 主橋抗震計算模型

根據主橋地震反應特點，通過研究表明，主橋采用雙曲面減隔震支座可以有效地減少下部結構地震力，從而節省工程量，因此，主橋均采用雙曲面減隔震支座進行減震設計。在進行非線性時程地震反應分析時，考慮了雙曲面減隔震支座非線性性能。其中，雙曲面減隔震支座各參數取值如下：

（1）滑動球面與轉動球面之間的球心距滑動面半徑H取為5 m。

（2）屈服力Fy：即臨界滑動摩擦力，取支座恒載承載力×μ，其中μ為摩擦系數，取為0.02。

（3）初始剛度K：支座恒載承載力×μ/屈服位移，其中μ為摩擦系數，取為0.02；屈服位移取為0.002。

對不考慮河床沖刷和考慮河床沖刷后兩種情況的主橋動力計算模型分別進行結構動力特性分析，列出前20階振型周期及頻率和振型特征（見表2、表3）。

采用非線性時程方法，對主橋結構的抗震性能驗算結果表明：在E1地震作用（超越概率50a10%）和E2地震作用（超越概率50a3%）下，主橋采用雙曲面減隔震支座后，針對大橋不考慮河床沖刷和考慮河床沖刷兩種情況，主橋結構滿足預期性能目標要求。

表2 不考慮河床沖刷模型基本動力特性一覽表

表3 考慮河床沖刷模型基本動力特性一覽表

3.2 引橋抗震性能研究

采用Sap2000有限元程序，建立東西兩側引橋的動力空間計算模型，單元模擬方法與主橋相同。匝道段采用板式橡膠支座，主橋與各橋墩之間用線性彈簧單元連接。

在E1地震作用下，采用50 a63%超越概率反應譜曲線對線性模型進行地震反應分析時，地震輸入方式：（1）縱向；（2）橫向，兩種方式。采用彈性反應譜分析方法，計算中取前500階，按CQC方法進行組合，在此基礎上考慮重要性系數1.3得到最終輸出結果，對結構抗震性能進行驗算后可知：

（1）引橋各橋墩關鍵截面保持彈性，抗震性能滿足預期性能目標要求。

（2）引橋各橋墩樁基礎保持彈性，抗震性能滿足預期性能目標要求：

在E2地震作用下，采用50a3%超越概率的時程波（共3條地震波）對非線性模型進行地震反應分析時，地震輸入方式為：（1）縱向；（2）橫向，兩種方式。分析方法采用非線性時程分析方法，并取3條波的最大值作為最終輸出結果，對結構抗震性能進行驗算后可知：

（1）引橋部分橋墩墩底截面進入塑性，但其延性能力是足夠的。

（2）引橋各橋墩樁基礎按照能力保護設計方法計算內力需求，經過驗算其抗彎強度滿足需求。

（3）按照能力保護原則，對進入塑性工作狀態的引橋各墩柱進行塑性鉸區域的斜截面抗剪強度驗算，經驗算其抗剪強度滿足要求。

4 結語

西通路高架橋采用基于結構性能和構件能力保護的抗震設計原則，明確提出了主橋和引橋各主要構件在不同設防水準下的性能目標，采用了合理的抗震措施，主橋采用雙曲面減隔震支座，改善了結構地震響應，提高了結構抗震安全性的同時，又節約了工程投資，為今后類似橋梁抗震設計提供了參考。

[1]范立礎.橋梁抗震[M].上海：同濟大學出版社，1997.

[2]范立礎，卓衛東.橋梁延性抗震設計[M].北京：人民交通出版社，2001.

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[4]劉東，賈智信，孫長軍，宋凱，陳亮.唐山曹妃甸工業區1#橋工程抗震設計[J].城市道橋與防洪，2011，（3）:45-47.