高震區城市高架橋梁的全預制拼裝設計方案

徐 俊，王明曄，盧永成

（1.上海市政交通設計研究院有限公司，上海市 200030;2.上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海市 200092）

高震區城市高架橋梁的全預制拼裝設計方案

徐 俊1，王明曄1，盧永成2

（1.上海市政交通設計研究院有限公司，上海市 200030;2.上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海市 200092）

結合呼和浩特市高架橋工程設計，從設防水準、性能目標、抗震體系選擇等方面對橋梁抗震概念設計進行了闡述，對國內首次在高震區采用全預制拼裝結構的抗震性能進行了充分的論證，提出了合理可靠的設計方案，為類似橋梁設計提供有益的參考。

預制拼裝；高震區；城市高架橋

0 引言

20世紀70年代，橋梁預制拼裝技術在荷蘭、美國等地開始應用。美國聯邦公路署于2004年開展了橋梁快速施工相關技術的系列研究，核心就是預制拼裝技術研究及在橋梁建造中的推廣應用（見圖1）。與此同時，日本也開展了預制拼裝橋墩相關技術的研究，包括正常使用功能和抗震性能研究，并研發了一些新型預制拼裝橋墩連接構造，編制了相應的設計指南[1]。

圖1 國外預制拼裝技術

伴隨著國外先進技術和設備不斷引進，預制拼裝橋梁上部結構在我國得到越來越廣泛的應用，預制拼裝橋梁下部結構也從海上大型項目發展到城市橋梁高架項目。城市橋梁的建設與公路橋梁相比，更加關注施工期間交通管制、場地安全以及噪聲、粉塵污染等產生的經濟效應和社會效應。因此，混凝土預制拼裝施工技術由于其具有的施工質量高、現場工期短、交通干擾少、噪聲低等優點，已在上海地區橋梁建設中得到較多的應用。如S7新建公路、S26高速入城段、S3高速公路先期實施段、北橫通道等工程應用。取得了良好的效果，在河南鄭州、黑龍江密興、四川成都、湖南長沙、新疆烏魯木齊等地也正在組織實施中。

在各企業和科研機構及政府部門的努力下，部分省份正在陸續總結制定裝配式橋梁結構的相關規程、規范，以指導橋梁預制結構體系的設計、施工、驗收等。相關規范主要有：住建部標準《鋼筋連接用灌漿套筒》（JG/T 398—2012）、住建部標準《鋼筋連接用套筒灌漿料》（JG/T 408—2013）、住建部標準《鋼筋套筒灌漿連接應用技術規程》（JGJ 355—2015）、住建部標準《節段預制拼裝混凝土橋梁技術規范》（編制中）、上海市工程建設規范《預制拼裝橋墩技術規程》（DG/TJ 08-2160—2015）、上海市工程建設規范《城市節段預制預應力混凝土橋梁設計規范》（編制中）。

1 工程背景

呼和浩特市昭烏達路哲里木路改造提升工程（以下簡稱“呼市南北高架工程”）主線高架橋總長約為10 km，位于呼市的市中心區域，交通繁忙，同時呼市的嚴寒氣候條件決定了每年有效的施工時間較短。為最大限度降低橋梁施工對周邊居民、交通和社會環境的影響，滿足工程建設進度要求。該工程主線標準段和平行匝道擬采用全預制拼裝設計。所謂全預制拼裝技術，是指上、下部結構的構件主要采用工廠預制、現場拼裝施工技術。該工程上部結構采用預制的簡支小箱梁、簡支組合梁，下部結構采用預制的倒T蓋梁、立柱，采用灌漿套筒連接實現蓋梁與立柱、立柱與承臺的連接。

在呼市南北高架工程中應用預制拼裝技術，一方面是嚴寒地區施工周期短以及城市高架橋交通繁忙的客觀條件需要，同時也是響應國家發展和社會背景變化的需求，因此是非常必要的。

上海市工程建設規范《預制拼裝橋墩技術規程》（DG/TJ 08-2160—2015）[2]規定：“本規程適用于非抗震區及抗震烈度6度區或7度區。”在呼市8度高震區條件下，該工程采用預制拼裝技術是否適用是設計首先面臨的挑戰。

2 橋梁抗震概念設計

2.1 設防水準及性能目標

該工程地震基本烈度為8度。地震動峰值加速度a=0.20 g，反應譜特征周期T=0.4 s。抗震設防措施按9度進行設置。

結構抗震性能研究采用二水準設防、二階段設計和基于結構性能的抗震設計思想。橋梁抗震設防標準為：在E1地震作用下，結構地震反應總體上在彈性范圍，基本無損傷，橋梁在震后可立即使用；在E2地震作用下，結構可發生有限的地震損傷，橋梁經搶修可恢復使用，在地震后經過永久性修復可恢復正常的運營功能。

2.2 抗震體系選擇

橋梁結構抗震體系應滿足以下要求：

（1）有可靠和穩定傳遞地震作用到地基的途徑；

（2）有效的位移約束，能可靠地控制結構地震位移，避免發生落梁破壞；

（3）有明確、可靠、合理的地震能量耗散部位；

（4）應避免因部分結構構件的破壞而導致整個結構喪失抗震能力或對重力荷載的承載能力。

目前，橋梁抗震設計主要有延性抗震設計和減隔震抗震設計兩種方法。

針對該工程8度區的城市高架橋，設計選取標準聯為研究對象，根據《城市橋梁抗震設計規范》（CJJ 166—2011）[3]，分別按照延性結構體系和減隔震結構體系進行了抗震分析，比較了兩種體系所對應的結構抗震性能。

延性抗震設計體系的基本思路是“抗”，通過提高結構的強度和延性，達到增強結構的抗震能力。地震作用下，橋梁的塑性變形、耗能部位位于橋墩，即通過在原設計基礎上加強樁基來滿足延性結構體系所必需的能力設計要求,從而確保結構塑性發生在墩底部位。

減隔震抗震設計體系是將普通支座更換為減隔震支座,地震引起的變形和地震能量的耗散均主要發生在減隔震裝置上,進而大幅度減小結構地震響應,并且主梁的縱橫向慣性力是由各墩柱共同承擔，使墩身和基礎在原設計條件下均保持為彈性工作狀態。

對比兩種抗震設計體系的實現方式和過程：采用延性設計，不可避免地使結構出現損傷，而且消耗大量材料，增加工程造價；減隔震體系則可以避免主體結構發生過大的地震損傷，可以減輕下部結構的抗震要求。從既往項目比較結果看,采用減隔震體系的設計方法比延性抗震設計可大量節省直接工程費用，具有非常可觀的優勢[4]。

上海市工程建設規范《預制拼裝橋墩技術規程》（DG/TJ 08-2160—2015）1.0.2 條條文說明：“考慮到高地震危險性地區橋梁延性抗震對塑性鉸區延性變形能力有更高的要求，而現有有限的試驗數據尚不足以支持其在高地震危險地區推廣應用，故本條文對預制橋墩的應用范圍進行了適當的規定。”如前所述，該工程采用減隔震抗震設計方法，并沒有延性抗震及塑性鉸等問題，也就避免了規范擔心的情況。因此，該工程采用預制拼裝技術與該規范并不沖突。

綜上所述,采用減隔震體系不僅可以獲得更優的結構抗震性能,具有更好的經濟性，還為在高震區高架橋使用預制拼裝技術創造了有利條件。因此，該工程橋梁結構抗震體系推薦采用減隔震體系。

2.3 抗震概念設計

該工程橋梁結構減隔震設計主要是通過在橋梁上、下部連接處采用減隔震裝置（如鉛芯橡膠支座），以改變、調整結構的動力特性或動力作用，從而使橋梁結構在地震作用下的損傷限制在容許的范圍內，以確保橋梁結構在地震作用下的安全性、可使用性和舒適性[5]。

該工程標準段下部結構一般采用樁柱式倒T蓋梁橋墩，上部結構推薦采用30 m的簡支小箱梁，橋面連續構造，90～120 m一聯。小箱梁支座采用鉛芯隔震橡膠支座。

通過這些成熟的結構和構造設計，該工程橋梁結構具有明確、可靠的地震作用傳遞途徑，橋梁聯內的剛度、質量分布均衡，橋墩（臺）分擔的地震作用合理。縱向的倒T蓋梁及橫向的擋塊能提供有效的位移約束，避免橋梁發生落梁破壞。相鄰橋梁結構之間預留了足夠的間距，可防止主體結構在E2作用下發生地震碰撞。

3 預制拼裝結構抗震性能驗算

3.1 結構布置

設計選取了25.5 m、17.5 m橋寬標準段及8.5 m橋寬平行匝道結構進行分析驗算。限于篇幅，以下以平行匝道為例論述[5]。

平行匝道斷面全寬8.5 m，單向雙車道，上部結構采用小箱梁，2片邊梁，1片中梁，梁高1.6 m，箱梁頂做1.5%橫坡，箱梁底水平，每片梁端設置單支座J4Q 420×420（G1.0±75 mm）。小箱梁采用整孔預制吊裝。

平行匝道下部結構采用倒T型蓋梁，寬8.24 m，高3.4 m，與預制梁外形保持一致。橋墩為1.8 m（橫橋向）×1.6 m（順橋向）單柱矩形墩。承臺尺寸為5.8 m×5.8 m×2.5 m，4根1.2 m鉆孔灌注樁。蓋梁與立柱工廠預制現場拼裝，承臺和樁基現場澆筑施工。圖2為標準橫斷面。

圖2 平行匝道標準橫截面（單位：mm）

3.2 動力特性分析

3.2.1 動力計算模型的建立

標準段動力特性分析采用有限單元方法，計算軟件采用MIDAS Civil，有限元計算模型均以順橋向為X軸，橫橋向為Y軸，豎向為Z軸。

主梁、橋墩、承臺均離散為空間的梁單元；二期恒載采用分布質量模擬；為了模擬樁土共同作用，對于承臺基礎，采用在承臺底中心加6×6的土彈簧來模擬。

為考慮邊聯橋的影響，在進行時程分析時，采用一聯三跨模型（見圖3）。

圖3 Midas計算模型

3.2.2 動力特性計算

根據建立的動力計算模型，進行了結構動力特性分析。表1列出了前4階振型的頻率和振型特征。圖4為第一階典型振型圖示。

表1 動力特性表

圖4 第一階：主梁橫向同向振動（T=1.119 s）

3.3 結構抗震性能研究

3.3.1 線性反應譜分析

反應譜計算采用規范反應譜。地震輸入組合為縱橋向和橫橋向。按《城市橋梁抗震設計規范》（CJJ 166—2011）[3]，平行匝道屬于規則橋梁，可以等效為單自由度體系，按單振型反應譜方法進行計算。 考慮鉛芯支座在低溫下會硬化，分兩種工況（考慮支座硬化1.6倍，控制墩柱受力以及不考慮支座剛度硬化，控制墩支座位移）進行討論。計算墩高分別取H=4 m和H=8 m。計算得到：E2地震作用下墩底彎矩和支座位移（見表2）。

表2 墩柱和支座地震效應

結果表明，E2狀態下，橋墩、基礎仍處于彈性狀態。

3.3.2 非線性時程分析

在50 a 2%的超越概率下，利用非線性時程分析方法，對非線性動力有限元模型進行地震反應分析。地震輸入組合為縱向和橫向。時程分析的最終結果，采用3組地震加速度時程計算時，取各組計算結果的最大值。非線性時程的結果統計見表3和表4。

表3 橋墩非線性時程結果統計

表4 支座非線性時程結果統計

從以上結果可知，反應譜結果與時程結果吻合得較好，設計以反應譜結果和時程結果的大值進行了橋墩及下部結構的截面驗算，截面強度均滿足性能目標要求。

3.4 與隔震設計相適應的抗震構造措施

根據上述抗震分析，在E2概率下，墩梁縱橫相對位移約為±10 cm。為此，橋梁結構除了采用滿足抗震規范要求的構造措施外，還需充分考慮結構在E2地震作用下的位移。該工程設計的縱向梁間縫寬以及橫向擋塊間隙均設為10～12 cm，這樣就可確保減隔震支座在E2地震下能充分發揮作用，同時也避免了主梁滑落的危險性，并減少震后的修復工作量。

另外，蓋梁內側增設限位擋塊，以限制正常使用狀態下的橫向位移，該擋塊在E1地震下允許破壞。

3.5 抗震性能分析小結

綜上所述，通過采用縱向和橫向兩種地震輸入方式，并結合了反應譜和非線性時程兩種分析方法，對橋梁結構的抗震性能進行研究。研究表明：該工程橋梁結構通過采用鉛芯橡膠支座等減隔震裝置，配合合理的結構防落梁及碰撞等抗震構造措施，主體結構與橋墩、基礎等主要構件能滿足抗震設防目標。

4 預制拼裝構造

4.1 拼裝連接工藝

預制拼裝橋墩連接構造類型主要有：鋼絞線連接、灌漿套筒連接、灌漿波紋管連接、插槽式連接等。

該工程采用地震區應用較多、較成熟的灌漿套筒連接。全灌漿鋼筋連接用套筒由連接套筒、鋼筋、高強砂漿（或稱灌漿料）、灌漿管、管堵、密封環、密封端蓋及密封柱塞組成（見圖5）。

圖5 全灌漿鋼筋連接用套筒組裝示意圖

該工程立柱頂、底伸出連接插筋與預制安裝端套筒相接。現場安裝完畢后，進行垂直度及相對位置調節，調節后拼接面鋪設2 cm厚60 MPa砂漿墊層，最后對套筒采用快速安裝成套集成系統進行100 MPa砂漿壓漿作業，完成整個拼裝工藝。

通過采用減隔震抗震設計方法，并沒有延性抗震及塑性鉸等問題，因此，該工程采用灌漿套筒連接的預制拼裝技術是安全可靠的。

4.2 拼接構造改進

（1）為避免連接套筒對立柱潛在塑性鉸開展位置的影響，本次套筒連接器分別設置在承臺及蓋梁內，可確保預制拼裝立柱與現澆立柱的抗震性能一致性[5]。

（2）針對墩與承臺拼接縫的耐久性問題，根據墩身破壞特點，設計也提出了在承臺頂設凹槽等構造改進措施[5]。

5 預制拼裝橋墩抗震性能試驗研究

為進一步驗證預制拼裝結構在8度區的抗震性能，推動預制拼裝技術的進一步發展，現正在進行縮尺模型驗證試驗。試驗通過振動臺試驗及擬靜力實驗對預制拼裝橋墩及整體現澆橋墩的性能進行對比，對預制拼裝橋墩的抗震性能進行試驗研究。

6 結語

呼市地震基本烈度為8度，該工程為國內首次在8度高震區下采用全預制拼裝技術。在高震區條件下，該工程主要采用了以下抗震設計方案：

（1）采用減隔震設計體系。采用減隔震設計后,在E2地震作用下，橋墩、樁基均保持彈性，沒有延性抗震及塑性鉸等問題，支座位移能力滿足要求。

（2）采用與隔震設計相適應的抗震構造措施。

（3）采用抗震性能可靠的預制拼裝連接構造。

（4）后續驗證性試驗研究。

設計通過上述一系列的設計方案，確保了該工程采用的預制拼裝技術在高震區條件下的安全性、可使用性和舒適性。

[1]黃國斌，查義強．上海公路橋梁橋墩預制拼裝建造技術[J]．上海公路，2014（4）：1-5

[2]DG/TJ 08-2160—2015，預制拼裝橋墩技術規程[S]．

[3]CJJ 166——2011，城市橋梁抗震設計規范[S]．

[4]陶亞芬.城市高架橋梁抗震設計 [J].中國市政工程，2013（2）：25-27.

[5]上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司．呼和浩特市昭烏達路哲里木路改造提升工程初步設計 [R]．上海：上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，2017.

U442.5+5

B

1009-7716（2017）12-0052-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.015

2017-08-07

徐俊（1967-），男，上海人，高級工程師，從事橋梁工程設計工作。