車行橋和人行橋組合抗震設計研究

張朝朋

（西安浐灞發(fā)展集團有限公司，陜西 西安 710024）

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，越來越多的跨河橋梁在增加交通舒適性的同時更加要求景觀性。因此原本設置在車行道之外的人行道也因為景觀以及行人對親水的要求而分離。本文將以某實際案例為背景，介紹車行橋和人行橋組合受力，進行抗震研究的情況。為了得到更好的抗震設計結(jié)果，本案例應用到了速度鎖定支座[1]以及高阻尼橡膠支座，這兩種支座都為橋梁的協(xié)同受力，增加結(jié)構(gòu)的抗震性能起到了重要的作用。

1 工程背景介紹

該橋車行橋為景觀橋梁，主橋跨徑布置為42 m+4×64 m+42 m=340 m，采用分離式雙幅橋布置，橋梁斷面具體布置為：0.5 m （護欄）+11.5 m （機動車道）+0.5 m（護欄）+2～6 m（中央分隔帶）+0.5 m（護欄）+11.5 m（機動車道）+0.5 m（護欄）=27～31 m；主橋為拱形連續(xù)鋼箱梁，橋梁外側(cè)面腹板及懸臂下緣設置有鋼板裝飾。

該橋人行橋為景觀橋，橋梁景觀效果與周邊河道景觀相匹配。為滿足河道跨越要求，橋梁跨徑布置為（30 m）+（2 × 21+21+22+21+21+22+21）m+（21+22+21+21+22+21+2×21）m=370 m，見圖1。上部結(jié)構(gòu)均采用簡支鋼箱梁或連續(xù)鋼箱梁，箱梁外側(cè)設置有“碗形”裝飾板。人行橋位于車行橋下層，人行橋梁底高程與車行橋下層箱體最低點高程基本接近。人行橋除支承于主橋中墩外，還通過吊桿懸掛于主橋上，在64 m 跨主橋上每跨設置有兩根吊桿、42 m主橋上設置一根吊桿；6# 墩處設置有樁柱接蓋梁的下部結(jié)構(gòu)，5 a# 和12# 設置有樁柱式橋臺，見圖2。

圖1 橋跨立面布置圖（單位：m）

圖2 人行橋和車行橋在吊桿處和橋墩處連接圖（單位：m）

2 問題提出及方案優(yōu)缺點

車行橋和人行橋在墩位處各自支撐在墩柱上，互不影響。但是為了保證人行橋的整體剛度，保證行人在人行橋上的舒適性，在墩位之間設置了吊桿，將人行橋吊在了車行橋下側(cè)。這種連接方式會存在一定的問題，比如地震作用下，車行橋和人行橋的抗震模式是怎樣的，兩者如何協(xié)同抗震？要解決這個問題我們首先要分析一下擬采用抗震支座及其主要優(yōu)缺點，見表1。

表1 抗震采用支座及主要優(yōu)缺點

速度鎖定器，國外一般稱為LUD，在靜力工況下可以自由滑動，不會對墩梁位移進行限制，但是地震工況或者突發(fā)制動力等工況情況下，LUD 會緊急發(fā)生作用，實現(xiàn)墩梁的剛性連接，因此采用固定+ 速度鎖定器可以實現(xiàn)凈力工況下，主梁位移不受限制，而地震工況下，速度鎖定器鎖死，多墩柱同時受力。但是由于地震工況所有墩柱變?yōu)楣潭ǘ胀瑫r也導致橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度的增加，地震力的增加。

摩擦擺減隔震支座是美國在1985 年發(fā)明的，他的機理是通過曲面滑動，動能和勢能轉(zhuǎn)換時摩擦耗能實現(xiàn)消減地震能量，減小墩柱受力的。摩擦擺也具有位移大的缺點，位移過大對于伸縮縫以及相鄰聯(lián)碰撞也會發(fā)生不利的影響。

高阻尼橡膠支座是在傳統(tǒng)橡膠支座的基礎上研發(fā)而來，它相較于橡膠支座具有容許位移大，阻尼比大，殘余變形小，對溫度依賴性小的優(yōu)點。

通過以上分析，可以看到，各種支座都有各自的優(yōu)缺點，如何取用只能通過建模分析實際情況的受力進行分析。

3 動力模型建立及動力特性

采用大型有限元程序，建立主橋的動力空間計算模型。有限元計算模型以順橋向為X 軸，橫橋向為Y 軸，豎向為Z 軸。主梁、墩柱均采用空間的梁單元模擬。各橋墩處的樁基礎采用一個6×6 土彈簧模型加以模擬。二期恒載等效為線質(zhì)量均勻施加主梁上。模型見圖3。

圖3 車行橋和人行橋計算模型

車行橋主梁和墩柱之間主要的連接裝置有兩種，一種是采用速度鎖定器，靜力工況，設置固定墩，其他墩柱速度鎖定器自由移動，釋放溫度位移，地震工況，速度鎖定器鎖死，所有墩柱共同受力；第二種是采用摩擦擺[2]，摩擦擺可以減小上部主梁傳遞給橋墩的地震力[3，4]。

人行橋主梁和墩柱之間主要的連接裝置有兩種，一種采用固定支座，另一種采用高阻尼橡膠支座。工況設置情況見表2。

表2 四種工況連接裝置設置情況

4 地震動輸入

目前抗震大多采用多級設防。其中最為成熟的抗震設計方法是兩水準設防、兩階段設計的抗震設計方法。

圖4 所示的為工程場地地震安全性評價報告提供的50 a 超越概率10%工程場地地表地震加速度時程曲線，本文采用其進行非線性地震時程分析，其中E1、E2 地震作用下時程波曲線是在50 a 超越概率10%時程波曲線的基礎上分別考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)0.5、1.7 得到。

圖4 水平加速度時程曲線（單位：m/s2）

5 結(jié)果分析

計算結(jié)果表明，地震作用下工況3 和工況4 兩種工況車行橋的墩梁位移較大，達到20 cm，車行橋位移太大影響連接墩處引橋，由于引橋為混凝土梁，主橋為鋼箱梁，兩者頻率不同，引起碰撞反應；同時人行橋受到車行橋拉桿拉動的作用，對于工況3 拉桿受力較大，而對于工況4 人行橋支座位移過大。所以只能對工況1 和工況2 進行比較。計算結(jié)果見表3。

表3 不同工況下地震力結(jié)果對比

首先在E2 順橋向，工況1 的6 號墩～8 號墩，墩柱受力分布不均勻，表現(xiàn)為邊墩小，中墩大，而對于工況2 的6 號墩～8 號墩，墩柱受力分布均勻,墩柱地震彎矩相差不大。通過地震減小率表格分析，工況2 相對于工況1 除6 號墩，墩柱地震力增加26%外，其余墩柱力均減小，減小范圍是14%～23%。

其次在E2 橫橋向，工況1 的6 號墩～8 號墩，墩柱受力分布不均勻，表現(xiàn)為邊墩小，中墩大，而對于工況2 的6 號墩～8 號墩，墩柱受力分布不均勻,墩柱地震彎矩相差較大。通過地震減小率表格分析，工況2 相對于工況1 墩柱地震力均為減小，減小范圍是12%～49%，表現(xiàn)為邊墩減小多，中墩減小少。

結(jié)果表明采用人行橋采用高阻尼橡膠支座可以很好的減小地震力，同時將地震力均勻的分配給各個墩柱，相對于采用固定支座具有很好的抗震效果。同時考慮到固定支座設置對限制主梁溫度位移會產(chǎn)生巨大的溫度力等問題，綜合比選，車行橋選擇速度鎖定支座，人行橋選擇高阻尼橡膠支座。

6 結(jié)論

通過建立該橋的有限元分析模型進行抗震分析，結(jié)果表明：

（1）對于多跨長聯(lián)橋梁選擇速度鎖定支座相對于摩擦擺具有很大的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)為主梁位移小，各個墩柱均勻受力。

（2）考慮車行橋和人行橋協(xié)同受力，車行橋采用速度鎖定支座可以避免車行橋?qū)θ诵袠虍a(chǎn)生巨大的地震拉力，防止拉桿破壞。

（3）人行橋采用高阻尼橡膠支座相較于固定支座可以大幅度削減墩柱的受力。

（4）人行橋采用高阻尼橡膠支座同車行橋采用速度鎖定支座一樣，兩者協(xié)同，各個墩柱受力更加均勻[4]。