高烈度區多跨混凝土連續梁橋抗震設計研究

種博肖

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600)

1 引言

預應力混凝土連續梁橋因其整體剛度大、伸縮縫少、經濟指標低等優勢，成為高速鐵路橋梁首選的結構形式。高烈度地區多跨長聯預應力混凝土連續梁橋設計尚有多項關鍵技術有待深入研究。文獻[1]闡述了控制高速鐵路連續梁橋設計的關鍵因素；文獻[2－3]論述了多跨連續梁抗震及減隔震設計技術；文獻[4－5]分析了我國鐵路連續梁橋延性設計方法。

我國?鐵路工程抗震設計規范?對中小跨徑梁式橋抗震設計要求進行了詳細規定，在多遇地震下進行強度檢算，設防地震采用抗震構造措施，罕遇地震作用下通過控制位移進行延性設計。而對長聯多跨連續梁的抗震設防標準及抗震設計方法等重難點問題闡述不全。高烈度區高速鐵路多跨長聯連續梁橋，如果僅通過提高強度進而提高橋梁的抗震設防能力，不僅造成不必要的建設成本增加，且設計偏于不合理。

本文以中衛至蘭州客運專線靖遠黃河特大橋主橋多跨預應力混凝土連續梁橋為研究對象，對該橋的橋式布置、抗震及減隔震技術等設計關鍵點進行深入分析論述。

2 工程概況

靖遠黃河特大橋是中蘭客專控制性工程，位于甘肅省靖遠縣長尾灘，橋高41 m，橋梁軸線的法線與黃河水流方向夾角為9°。橋位處河水較緩，水面寬約180 m，通航等級為Ⅴ級。橋址區地貌屬黃河河谷地區，地形起伏較小，黃河從中流過，地層以細圓礫土、粗圓礫土、砂巖為主，巖體較完整。

為滿足防洪和通航對跨越黃河的要求，最大化降低對河道行洪的影響，并綜合考慮黃河河床歷史演變規律復雜等因素，本橋兩個水中墩仍有撞船的風險，靖遠黃河特大橋采用(70＋104＋128＋104＋70)m多跨連續梁跨越黃河主河道，采用(60＋60)m T構跨越黃河快速路，主橋立面布置見圖1。

圖1 靖遠黃河特大橋立面布置(單位:cm)

中蘭客專線路等級為雙線高速鐵路，線間距4.6 m，采用有砟軌道，設計活載為ZK活載。靖遠黃河特大橋跨越黃河河道的通航等級為Ⅴ級，航道立交要求凈寬80 m、凈高8.0 m。根據靖遠黃河橋場地地震安全性評價結果，橋位處50年超越概率10%情況下(設計地震)最大地震動峰值加速度為0.34 g，地震動反應譜周期為0.55 s。

3 結構設計

靖遠黃河特大橋(70＋104＋128＋104＋70)m多跨連續梁主梁采用單箱單室、變高度、變截面預應力混凝土結構。箱梁頂寬12.2 m，底寬6.4 m，采用直腹板形式。邊跨和跨中直線段梁高5.0 m，中支點處梁高9.6 m，次中支點梁高7.6 m。主梁設計為縱、橫、豎三向預應力體系。主梁采用掛籃懸臂澆筑施工，在中支點及邊支點部分梁段采用支架現澆施工。主梁中支點斷面見圖2。

圖2 主梁中支點斷面(單位:cm)

本橋每個橋墩墩頂橫向設置2個支座，支座噸位分別為11 000 kN、40 000 kN和60 000 kN。邊墩支座橫向間距為4.8 m，次中墩和中墩支座橫向間距均為5.5 m。

各墩均設計為圓端形空心墩，墩身內外壁縱橫向設置放坡。主墩高32.0 m，墩頂尺寸為(5.5×12.6)m(順橋向×橫橋向)，承臺尺寸(順橋向×橫橋向×厚度)為(15.0×18.2×4.5)m。基礎采用鉆孔灌注樁基礎，主墩基礎設計為20根?1.8 m鉆孔灌注樁，次中墩設計為18根?1.8 m鉆孔灌注樁，交接墩設計12根?1.5 m鉆孔灌注樁。主墩基礎采用雙壁鋼圍堰施工。

4 動力特性分析

采用大型計算分析軟件MIDAS Civil建立空間有限元模型，對全橋進行動力特性及抗震性能分析。全橋模型為1－32 m簡支梁＋(60＋60)m T構＋(70＋104＋128＋104＋70)m連續梁＋1－32 m簡支梁，共計890個節點、530個單元。計算模型采用梁單元模擬主梁、墩柱及承臺，考慮樁基礎結構形式及樁周土層力學性質對結構剛度的影響，采用6個自由度的彈簧剛度矩陣模擬樁基與土的相互作用，彈簧剛度數值根據“m”法確定，空間計算模型見圖3。

圖3 主橋空間計算模型

成橋狀態動力特性見表1和圖4，橋梁基頻為0.442 Hz，最小自身頻率對應模態為一階縱飄，表明在結構各向剛度中，主梁縱向剛度最弱。

表1 成橋狀態結構動力特性

圖4 連續梁振型

5 抗震設計分析及方案比選

高烈度區高速鐵路橋梁抗震設計內容主要包括:抗震設防目標確定、抗震計算參數選取以及合理抗震設計方案的制定[6]。

5.1 抗震設防目標確定

多跨長聯連續梁橋由于聯長、梁部質量大而導致地震效應明顯。鑒于靖遠黃河橋在中蘭客專的重要性和搶修難度，大橋在罕遇地震作用下需要滿足“大震不倒”的抗震設防目標，并保證震后基本通行功能。在結構具體計算時取用原則為[7]:

(1)按多遇地震50年超越概率63.2%的地震動參數檢算結構物的強度，并考慮重要性系數1.5(水平地震動峰值加速度Amax＝0.114 g)。

(2)按照設計地震50年超越概率10%的地震動參數加強結構抗震構造措施(水平地震動峰值加速度Amax＝0.340 g)。

(3)按罕遇地震50年超越概率2%的地震動參數驗算上、下部結構連接構造的位移，并按照極限強度控制橋墩及基礎強度設計(水平地震動峰值加速度Amax＝0.650 g)[8]。

5.2 抗震設計參數選取

根據?新建中衛至蘭州客運專線工程場地地震安全性評價報告?，本橋橋位處場地類別為Ⅱ類，設計地震動加速度反應譜計算公式取為:

式中:Amax為設計地震動峰值加速度；β(T)為設計地震動加速度放大系數反應譜；T為反應譜周期；βm為放大系數反應譜最大值；T2為周期拐點；Tg為反應譜特征周期，式中各參數按表2取值。

表2 中蘭線靖遠黃河橋場地水平向設計地震動參數

靖遠黃河特大橋時程分析采用地震安評報告提供的罕遇地震加速度時程曲線，計算采用三組時程曲線，并取其結果的最大值，各組時程曲線見圖5。

圖5 罕遇地震作用下三組時程曲線

5.3 硬抗設計方案

鐵路橋梁合理抗震設計方案一般有兩種:一種是基于強度的硬抗抗震體系，另一種是基于延性的減隔震體系。不管采用哪種抗震設計方案，都需要具備兩個基本特征:一是傳力路徑不間斷，二是保持橋梁結構整體性[9]。因此，結構既要具備合理有效的抗震單元(如墩柱塑性鉸、減隔震裝置等)，又要有足夠的強度并采取有效的連接措施(如設置縱向限位器、橫向擋塊等)。對靖遠黃河特大橋主橋進行這兩種抗震設計思路的對比工作，以尋找本橋最合適的抗震設計方案。

基于強度的抗震設計原則是全聯地震效應均由固定墩承受，按照剛性抗震設計理念，則需要增大結構尺寸、加強墩柱配筋等途徑來滿足抗震設防要求，不僅造成建設成本提高，且設計趨于不合理。本橋采用減隔震設計方案，利用減隔震支座及粘滯阻尼器共同減小地震力，并最大化控制地震力作用下梁體位移[10]。

5.4 減隔震設計方案

減隔震技術應用在橋梁結構中，可大大削弱地震力的作用，進而減小下部結構尺寸，降低造價。同時可有效減輕結構遭遇強震時的破壞程度，顯著提高結構安全性。橋梁減隔震措施主要有兩種:一是采用減隔震支座，增加結構的延性，有利于耗散地震能量，以保證震后橋梁不會整體倒塌，修復相對容易；二是采用粘滯阻尼器，以控制梁體過大變形，從而減小結構位移，降低結構動力加速度[11]。

結合鐵路橋梁的設計特點，靖遠黃河橋減隔震設計綜合設置了雙曲面摩擦擺減隔震支座和液體粘滯阻尼器。雙曲面摩擦擺減隔震支座在正常使用狀態(非地震時)，既能保證可靠傳遞結構豎向和水平荷載，又能保證支座轉動和位移不受約束。在地震工況下，支座的限位裝置失效，限位方向發生滑動，結構基本周期增大，從而減小地震力效應。這類支座內部設置球鉸，可實現多方向轉動，以提供結構自復位能力，促使上部結構回到初始狀態。

液體粘滯阻尼器是一種速度耗能裝置，產生的阻尼力與速度和溫度有關。阻尼器不改變結構自振周期，僅通過提供附加剛度和阻尼的方式，有效降低震后結構位移量。阻尼器的安裝具有方向性，靖遠黃河特大橋每墩設置2個150 t阻尼器，與順橋向成45°設置。阻尼器的制作加工精度要求高，缺少自復位功能，一般需要配合支座使用[12]。

對靖遠黃河橋進行罕遇地震作用下時程分析，雙曲面摩擦擺減隔震支座采用Midas有限元程序提供的摩擦擺單元模擬，計算時需要考慮地震力作用下的滑動摩擦效應和非線性效應；粘滯阻尼器采用阻尼單元進行模擬，兩者計算參數見表3。

表3 減隔震支座及阻尼器參數

雙曲面摩擦擺支座設置剪切銷，剪切銷剪斷力按1.05倍多遇地震水平剪力控制。多遇地震作用下，抗剪銷未被剪壞，減隔震裝置未發揮作用；罕遇地震作用下，抗剪銷被剪斷破壞，支座沿球面發生擺動，減隔震系統發揮作用，地震力有效減小。

圖6對比了罕遇地震作用下三種設計方案順橋向墩底內力響應。罕遇地震作用下，同時采用減隔震支座和阻尼器，交接墩剪力減隔震率為26.34%，固定墩剪力減隔震率達82.04%；交接墩彎矩減隔震率為36.06%，固定墩彎矩減隔震率達86.58%。采用減隔震方案設計明顯減小了固定墩地震內力響應，為橋墩和基礎結構尺寸優化提供了有利條件。

罕遇地震作用下，靖遠黃河橋采用普通支座時，梁端縱向位移量為538 mm；僅設置減隔震支座時，梁端位移量為219 mm；同時設置減隔震支座與粘滯阻尼器時，罕遇地震作用下支座位移量僅為152 mm。分析表明，同時設置減隔震支座與粘滯阻尼器，罕遇地震作用下梁端位移量可以得到有效控制。

6 結束語

以中衛至蘭州客運專線靖遠黃河特大橋主橋(70＋104＋128＋104＋70)m多跨預應力混凝土連續梁橋為工程背景，對大橋抗震及減隔震設計關鍵技術進行研究比選，得出主要結論如下:

(1)高烈度區多跨長聯連續梁橋，采用基于強度的硬抗設計方案，固定墩承受全聯梁部地震力，導致受力過大，結構設計偏于不合理。

(2)通過采用合理的減隔震技術，可以有效減輕橋梁結構遭遇強震作用時的破壞程度，顯著提高結構安全性。