減隔震技術(shù)在高烈度地區(qū)混凝土梁橋中的應(yīng)用

韓善劍，邢 智

(1.海南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，海南 海口 570206；2.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18036—2015),海口市及其周邊區(qū)域基本地震動(dòng)峰值加速度達(dá)0.3g，強(qiáng)震區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，選擇經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)體系、設(shè)計(jì)方案是重點(diǎn)公路橋梁設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T B02-01—2008)已頒布實(shí)施多年，強(qiáng)震區(qū)的地震作用效應(yīng)較大，對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和變形能力要求更高，傳統(tǒng)的橋梁抗震設(shè)計(jì)已難以滿足新形勢(shì)要求。海南正加快建設(shè)中國(guó)國(guó)際旅游島和特色自由貿(mào)易港，提高海南全域交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平，在高烈度地區(qū)建設(shè)結(jié)構(gòu)安全的橋梁，采取有效措施降低橋梁在地震中發(fā)生破壞的程度，是廣大橋梁建設(shè)者的重要工作，也是橋梁建設(shè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。混凝土連續(xù)梁橋和剛構(gòu)橋梁是海南公路建設(shè)中的主要橋型，也是內(nèi)地橋梁建設(shè)中應(yīng)用最廣泛的橋型，對(duì)混凝土連續(xù)梁橋進(jìn)行抗震研究十分必要。

近年來(lái)，部分學(xué)者持續(xù)對(duì)混凝土橋梁進(jìn)行了抗震分析和探討。龔一瓊等以五跨連續(xù)梁橋?yàn)槔瑢鹘y(tǒng)的抗震支座調(diào)整為減隔震支座，利用塑性鉸耗能研究得出在地震荷載作用下橋墩均處于彈性狀態(tài)，有效改善了橋梁下部結(jié)構(gòu)的受力性能，達(dá)到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的要求[1]。郭磊等采用將固定盆式支座調(diào)整為活動(dòng)盆式支座與彈塑性耗能裝置的組合，改善了橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能[2]。余錢(qián)華等通過(guò)調(diào)整支座約束類型，分析橫橋向、縱橋向彎矩及支座位移的變化，提出了大跨長(zhǎng)聯(lián)連續(xù)梁橋的固定支座布設(shè)優(yōu)化方案[3]。陳思佚以臨沂東互通主線橋?yàn)槔ㄟ^(guò)時(shí)程分析得出，采用摩擦擺減隔震支座，多數(shù)橋墩處于彈性狀態(tài)，僅有個(gè)別橋墩剛剛進(jìn)入塑性，安全儲(chǔ)備和經(jīng)濟(jì)效益均較高[4]。馮克巖等針對(duì)大跨連續(xù)梁橋固定墩底承受全橋主要彎矩、剪力的情況，研究得出可增加彈塑性減震耗能裝置改善結(jié)構(gòu)的抗震受力性能[5]。楊亮等總結(jié)出，固定支座墩承受大部分的地震力經(jīng)濟(jì)效益較差，優(yōu)化采用彈塑性減震耗能裝置可大幅減小橋墩所受地震作用響應(yīng)，同時(shí)可大幅降低主筋的配筋率[6]。方海等通過(guò)分析提出，采用鉛芯橡膠隔震支座和黏滯阻尼器的組合方案優(yōu)化橋墩地震工況下的受力狀態(tài)[7]。鄧?yán)^華等以延性抗震和減隔震為研究對(duì)象，分析得出墩底的內(nèi)力、位移與屈后剛度、彈性剛度比值的相關(guān)聯(lián)程度[8]。

結(jié)合近期設(shè)防烈度較高的鋼筋混凝土公路梁橋的抗震設(shè)計(jì)理念和方法的不斷發(fā)展，本文以海南龍?zhí)链髽驗(yàn)楣こ瘫尘埃肕IDAS有限元分析軟件，在地震動(dòng)輸入下進(jìn)行時(shí)程分析，對(duì)比采用減隔震技術(shù)前后橋梁的內(nèi)力、位移等指標(biāo)的變化，考慮摩擦擺減隔震支座和滑動(dòng)支座摩擦的非線性因素，探討大跨徑混凝土梁橋在地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，分析不同類型橋梁如何選擇適宜的支座和布設(shè)方案，總結(jié)地區(qū)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

龍?zhí)链髽蚴鞘〉繱202跨越南渡江的重要橋梁，主橋跨徑組合采用56 m+100 m+56 m，橋梁高跨比約0.3。上部結(jié)構(gòu)采用變截面預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，材料為C55混凝土，左、右分幅設(shè)置，單箱單室，單幅橋?qū)?1.75 m，主墩處梁高6.2 m，跨中及邊橫梁高2.5 m。下部結(jié)構(gòu)主墩采用矩形空心墩，邊墩采用矩形墻式墩，C40混凝土，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。為便于后續(xù)說(shuō)明，分別對(duì)橋墩編號(hào)為D4、D5、D6和D7。

2 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)與性能目標(biāo)

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T B02-01—2008)(以下簡(jiǎn)稱“細(xì)則”)第3.1.1條，E1地震作用下設(shè)防目標(biāo)是“一般不受損傷或不需修復(fù)可繼續(xù)使用”；E2地震作用下設(shè)防目標(biāo)是“保證結(jié)構(gòu)不致倒塌或產(chǎn)生嚴(yán)重結(jié)構(gòu)損傷，經(jīng)臨時(shí)加固修復(fù)后可供維持應(yīng)急交通使用” 。 E2地震作用下，在縱、橫橋向地震激勵(lì)下，墩柱各關(guān)鍵截面最不利地震彎矩需求小于等效屈服彎矩，截面保持彈性工作狀態(tài)為宜，在預(yù)估配筋率下，各關(guān)鍵截面均能滿足抗震性能目標(biāo)。根據(jù)細(xì)則，龍?zhí)链髽驗(yàn)槌Ｒ?guī)橋梁，抗震設(shè)防類別為B類。橋址區(qū)域場(chǎng)地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.30g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，抗震設(shè)防烈度為8度；采用50年50%超越概率(E1，簡(jiǎn)稱P1概率,對(duì)應(yīng)地震重現(xiàn)期75年)和50年5%超越概率(E2，簡(jiǎn)稱P2概率，對(duì)應(yīng)地震重現(xiàn)期1 000年)2種超越概率地震動(dòng)進(jìn)行抗震設(shè)防。

3 反應(yīng)譜和時(shí)程作用參數(shù)

根據(jù)橋址區(qū)場(chǎng)地的地震動(dòng)特性，選擇在不同超越概率下對(duì)應(yīng)的地震動(dòng)參數(shù)和設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。地震動(dòng)峰值加速度為0.30g，混凝土橋梁阻尼比采用0.05。表1為水平地震動(dòng)峰值加速度及反應(yīng)譜參數(shù)。

表1 場(chǎng)地地表水平向地震動(dòng)峰值加速度及反應(yīng)譜參數(shù)值(阻尼比5%)

根據(jù)《海南省龍?zhí)聊隙山髽蝽?xiàng)目工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》，選取其中50年5%超越概率的加速度時(shí)程曲線進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)分析。圖1為50年50%超越概率的加速度時(shí)程曲線，圖2、3為其中2條50年5%超越概率的加速度時(shí)程曲線。

圖1 50年50%超越概率的地震加速度時(shí)程曲線

圖2 E2地震加速度時(shí)程曲線1

圖3 E2地震加速度時(shí)程曲線2

4 反應(yīng)譜與時(shí)程結(jié)果對(duì)比分析

4.1 基本參數(shù)

運(yùn)用MIDAS CIVIL軟件建立本橋有限元?jiǎng)恿τ?jì)算模型，順橋向?yàn)閤軸，橫橋向?yàn)閥軸，豎向?yàn)閦軸；主梁、墩柱采用彈性梁?jiǎn)卧M，單元質(zhì)量通過(guò)桿端節(jié)點(diǎn)質(zhì)量效應(yīng)模擬；承臺(tái)近似按剛體模擬，其質(zhì)量通過(guò)承臺(tái)質(zhì)心節(jié)點(diǎn)質(zhì)量效應(yīng)模擬；橋墩底與承臺(tái)中心及樁頂中心節(jié)點(diǎn)用主從約束相連接。主梁的一期恒載由單元截面面積與密度相乘得出，二期恒載通過(guò)線質(zhì)量荷載形式加載至梁?jiǎn)卧希粯锻灵g的共同作用采用土彈簧來(lái)模擬，動(dòng)力模型如圖4所示。

圖4 橋梁動(dòng)力模型

支座布置如圖5所示。E1地震分析時(shí)，不考慮減隔震支座的抗震性能，按普通支座進(jìn)行考慮。支座采用彈性連接模擬，豎向剛度取107kN·m-1，水平約束方向的剛度取106kN·m-1。E2地震分析時(shí)，地震作用應(yīng)考慮減隔震支座的影響，按照《公路橋梁摩擦擺式減隔震支座》(JTT 852—2013)相關(guān)規(guī)定，擬定采用的摩擦擺減隔震支座特性如表2所示。

圖5 支座布置

表2 摩擦擺減隔震支座參數(shù)

4.2 反應(yīng)譜作用分析

采用常規(guī)約束體系，即盆式橡膠支座，在E2反應(yīng)譜作用下，主墩、邊墩控制截面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如表3所示。

由表3可知：在E2反應(yīng)譜作用下，主墩控制截面彎矩超越了截面的等效屈服彎矩值，即主墩底截面已進(jìn)入塑性狀態(tài)；邊墩控制截面彎矩與截面等效屈服彎矩值相近，即邊墩底截面已接近塑性臨界狀態(tài)。由表3結(jié)論可知，傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法難以滿足要求。

表3 E2反應(yīng)譜作用下橋墩底控制截面內(nèi)力

4.3 時(shí)程分析

提取地震E2最不利組合下，主墩的控制截面處內(nèi)力，并結(jié)合各控制截面的M-φ曲線和P-M曲線，得到各截面的能力驗(yàn)算結(jié)果，如表4、5所示。

表4 E2時(shí)程作用下D5、D6主墩橋墩底控制截面內(nèi)力情況

表5 E2時(shí)程作用下D4、D7邊墩橋墩底控制截面內(nèi)力情況

由表5可知，在E2時(shí)程作用下采用減隔震技術(shù)后，主墩、邊墩控制截面彎矩遠(yuǎn)小于截面的等效屈服彎矩，即截面處于彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備相對(duì)較大。

4.4 結(jié)構(gòu)振動(dòng)周期對(duì)比

橋梁結(jié)構(gòu)自振周期與地震響應(yīng)內(nèi)力關(guān)聯(lián)程度高，根據(jù)細(xì)則10.1.6條，采用減隔震設(shè)計(jì)橋梁的基本周期原則上應(yīng)為常規(guī)體系橋梁的2倍以上，提取計(jì)算結(jié)果2個(gè)典型模態(tài)進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 不同約束體系地震響應(yīng)比較結(jié)果(結(jié)構(gòu)周期對(duì)比)

4.5 時(shí)程作用下支座位移分析

在E2時(shí)程作用下，D4、D7邊墩和D5、D6主墩在地震作用下的最大位移驗(yàn)算結(jié)果如表7所示。

表7 縱橋向不同約束體系地震響應(yīng)比較結(jié)果(支座位移響應(yīng)比較)

由表7可知，D4、D7邊墩和D5、D6主墩在地震作用下的最大位移驗(yàn)算滿足要求，且較常規(guī)支座體系位移降幅明顯。

4.6 兩種約束體系下地震作用響應(yīng)對(duì)比

縱橋向、橫橋向地震作用下響應(yīng)均較大，本文就常規(guī)體系與減隔震體系2種不同約束體系橋墩控制截面的地震響應(yīng)進(jìn)行內(nèi)力比較，結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 縱橋向不同約束體系控制截面地震響應(yīng)比較結(jié)果(內(nèi)力響應(yīng)比較)

由表8可知，采用摩擦擺減隔震支座后，縱橋向加豎向地震作用相對(duì)常規(guī)體系，結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移響應(yīng)顯著下降，D4、D7邊墩縱橋向、橫橋向內(nèi)力降幅分別為34%和43%，D5、D6主墩墩底內(nèi)力降幅分別為76%和79%，邊墩支座位移降幅約39%。結(jié)果表明，采用減隔震體系大幅減小了地震作用內(nèi)力響應(yīng)，支座位移控制響應(yīng)在合理范圍內(nèi)，減震效果明顯，可有效改善受力狀況。

4.7 對(duì)比分析結(jié)論

(1)自振周期：采用減隔震技術(shù)后，第一、二階結(jié)構(gòu)自振周期分別增長(zhǎng)2.31、2.68倍，振動(dòng)頻率大幅減緩，地震直接作用效應(yīng)響應(yīng)延緩，減震效果顯著。

(2)內(nèi)力：采用非減隔震體系，在地震波作用下固定墩墩底控制截面內(nèi)力巨大，結(jié)構(gòu)截面尺寸和配筋量需求均較大，采用減隔震體系，橋墩的順橋向、橫橋向減震率最高達(dá)76%和79%，橫橋向減震效果更加敏感，對(duì)高能量地震減震效果好。采用減隔震體系后，預(yù)估配筋滿足抗震性能需求。

(3)位移：采用減隔震體系，墩頂順、橫橋向的位移下降明顯，均在20%以上。支座可有效恢復(fù)變形，主梁位移在容許控制范圍內(nèi)，橋梁更加安全。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)混凝土梁橋基本振動(dòng)周期較小，場(chǎng)地條件相對(duì)較好，適用于細(xì)則規(guī)定的減隔震裝置適用條件。結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)，對(duì)于高跨比小于0.3的橋梁宜采用連續(xù)梁體系，慎用剛構(gòu)體系。

(2)通過(guò)對(duì)常規(guī)約束體系、摩擦擺支座減隔震體系2種不同約束結(jié)構(gòu)模型的內(nèi)力、位移及周期進(jìn)行分析計(jì)算，并進(jìn)行對(duì)比可知，在縱橋向或橫橋向地震作用下，摩擦擺支座減隔震體系不僅能夠大幅減小全橋結(jié)構(gòu)的地震內(nèi)力響應(yīng)，還能有效控制支座位移響應(yīng)，對(duì)本橋非常有效，可推廣應(yīng)用。

(3)由對(duì)比結(jié)果建議延伸應(yīng)用范圍：一是基本地震動(dòng)峰值加速度0.15g以上裝配式結(jié)構(gòu)橋梁(空心板、小箱梁)或中小跨徑等截面現(xiàn)澆箱梁，可優(yōu)先采用鉛芯或高阻尼橡膠支座；二是基本地震動(dòng)峰值加速度在0.10g及以下橋梁可采用常規(guī)抗震方案。