高烈度區(qū)城市雙層高架橋梁抗震設計新方案

傅吉興，王明曄，徐 俊

（上海市政交通設計研究院有限公司，上海市 200030）

1 工程背景

某機場航站樓設置雙層出發(fā)流程，為配合航站樓雙層出發(fā)功能，航站樓前高架橋采用雙層結構型式。

航站樓柱距18 m，樓前雙層高架橋墩與航站樓立柱對齊，景觀效果好，且便于出入口的設置。結構標準跨徑采用36 m，樓前直線段跨徑布置為（36+36+36+36+36）m+（27+36+27）m+（36+36+36+36+36）m=450 m。

工程所在地區(qū)屬高烈度區(qū)，根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015），本工程場地基本地震動峰值加速度值為0.20g，由上述標準附錄G 查得相應的地震烈度為Ⅷ度。根據(jù)工程所在地區(qū)《建筑場地類別區(qū)劃》（2016 版）中表3 確定，場地設計特征周期Tg為0.43 s。

2 基于抗震要求的橋型結構設計

2.1 城市雙層高架橋梁的工程實例

雙層高架橋梁能夠充分利用空間，在城市有限的道路面積上有效實現(xiàn)交通分流和擴容，是一種高效的交通網(wǎng)絡解決方案。目前國內(nèi)采用雙層高架結構形式的城市高架橋梁工程主要有上海市共和新路雙層高架橋、武漢寶豐路橋、福州洪山橋西雙層高架橋、寧波北環(huán)快速路雙層高架橋等（見圖1）。上述雙層高架橋通過H 型框架墩使上下層橋梁梁體與橋墩分別通過支座連接或隔震，受力明確，施工便捷，但需考慮H 型墩對凈空的影響。

圖1 既有雙層高架橋

2.2 工程特點分析

（1）雙層高架基礎承擔的荷載較單層高架更大，要求更輕的結構材料。

（2）本高架上層橋面寬46 m，下層橋面寬35.5 m。橋面寬，結構受力不利，橫梁受力大。

（3）凈空受限，本工程層高僅7 m，凈空4.5 m，要求更薄的結構且不具備設置H 型墩的條件。

（4）工程所在地區(qū)屬高烈度區(qū)，本工程場地基本地震動峰值加速度值為0.20g，需選用合適的抗震體系。

2.3 雙層高架橋的結構設計

從結構材料、結構體系、減隔震設計3 個方面對結構進行分析。

2.3.1 結構材料

本工程對層高限制較嚴格，雙層高架系統(tǒng)的層高為7 m，扣除凈空、鋪裝后，結構高度為2.4 m。本工程橫向寬度大，立柱橫向間距28 m。經(jīng)計算，采用2.4 m結構高的鋼箱梁已經(jīng)是設計梁高壓縮的極限。如果采用混凝土梁，橫梁結構高度需要2.8～3.0 m，則橋梁凈空無法滿足要求。所以，采用鋼結構可以降低梁高以滿足凈空要求。

同時，采用鋼結構利于高烈度區(qū)橋梁抗震，也有利于雙層橋梁施工。

2.3.2 結構體系

本工程雙層高架結構橋面寬，自重大，質點高，框架效應明顯，地震力大。如何從結構體系上解決雙層橋梁結構的抗震問題，是必須解決的重要課題。

由于層間凈空有限，不具備設置H 型墩的條件。因為雙層橋上部結構需與下部橋墩立柱結合起來，統(tǒng)籌考慮結構受力體力。現(xiàn)對以下4 種體系進行討論：

（1）全固結體系

雙層高架有兩層橋面，該體系上下層橋面與立柱之間采用固結形式（見圖2）。

圖2 結構體系1 示意圖

從抗震設計角度看，全固結體系為延性結構體系。延性體系適合用于墩柱較高的結構，通過墩柱形成塑性鉸進行耗能。本工程橋墩立柱高度小，且存在部分不均勻高度，因此橋墩剛度大且不均勻，對塑性鉸發(fā)生及變形不利，不適合采用延性體系。

（2）上層橋面設支座、下層橋面固結體系

為改善結構受力，該體系考慮在結構中加入減隔震支座（見圖3）。

圖3 結構體系2 示意圖

為避免在下層橋面設置牛腿，考慮上層橋面設支座，下層橋面固結。考慮下層橋面地震力較上層橋面地震力大，該種體系未能解決下層橋面的抗震問題，整體隔震效果有限。

（3）上下層橋面均設支座

該體系上下層橋面均設置支座，上下層支座均設為減隔震支座，能有效降低地震力。該方案有兩種做法。

a.上下層共用立柱（見圖4）。該方案下層橋面需開孔讓立柱穿越，需在橋墩立面縱向設置牛腿，影響美觀。

圖4 結構體系3 示意圖（a）

b.上下層橋面間立柱與下層橋面固結（見圖5）。該方案的兩層支座受力協(xié)調問題存疑。

圖5 結構體系3 示意圖（b）

（4）上下層固結為框架、框架下隔震體系

該體系上下層橋面間立柱與兩層橋面結構固結為整體框架，受力更好，整體框架下設隔震支座，通過一層的減隔震支座有效解決了兩層橋面的抗震問題，同時解決了支座布設的美觀問題和兩層支座的受力協(xié)調性問題（見圖6）。

圖6 結構體系4 示意圖

經(jīng)過以上對比分析，本工程首創(chuàng)的上下層固結為框架、框架下隔震體系解決了兩層結構的抗震問題，受力清晰，施工快捷，結構美觀，為本橋推薦體系（見圖7）。

圖7 雙層高架橋

3 工程抗震專項設計

3.1 結構布置

為驗證結構體系選擇的有效性，設計選取了標準段結構進行分析驗算，對雙層高架橋梁的抗震性能進行分析。

本工程雙層高架橋上層寬46 m，下層寬35.5 m。連續(xù)鋼箱梁采用整體箱型斷面，截面等高，上下層鋼結構梁高均為2.2 m。挑臂長度4.25 m，腹板與立柱外表面齊平布置。鋼箱梁采用正交異性鋼橋面板。

雙層高架橋墩采用雙立柱+承臺結構，立柱間距為28 m。中墩立柱標準斷面尺寸為2.5 m×2.5 m，過渡墩立柱標準斷面尺寸為3.6 m×2.5 m（見圖8）。立柱底設鋼筋混凝土承臺，承臺尺寸為10 m×10 m×3 m。每個承臺下采用9 根φ1.5 m 鉆孔灌注樁。

圖8 標準橫截面

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SAP2000，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(lián)橋的影響，在進行時程分析時，采用三聯(lián)模型，如圖9 所示。

圖9 SAP 計算模型

3.2.2 動力特性計算

根據(jù)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10 為第一階典型振型圖示。

表1 動力特性

圖10 第一階：第二聯(lián)縱向一致振動

從表1 可以看出，雙層高架動力特性與單層連續(xù)梁橋有相近之處。可見，在地震作用下，本結構體系將復雜的雙層高架橋受力轉化為單層受力，驗證了體系選擇的有效性。

3.3 結構抗震性能研究

3.3.1 常規(guī)體系非線性時程分析

根據(jù)規(guī)范反應譜擬合地震動時程，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(tǒng)計如圖11所示。

圖11 常規(guī)體系能力需求比

由常規(guī)體系E2 地震響應及計算可以發(fā)現(xiàn)，E2地震作用下，橋墩抗震能力嚴重不足，特別是縱橋向地震輸入下，固定墩截面能力需求比只有0.21。

如果通過調整截面尺寸、增加截面配筋進行調整，則截面尺寸增加較大，不具可行性。

3.3.2 減隔震體系非線性時程分析

將普通支座調整為減隔震支座，進行減隔震體系的非線性時程分析，并對摩擦擺支座和拉索支座的性能進行了對比。摩擦擺支座和拉索支座的設計參數(shù)根據(jù)相關規(guī)范和標準進行選取，結果如圖12 所示。

圖12 減隔震體系能力需求比

減隔震體系中，橋墩配筋方案均按照E1 地震下，支座剪切滑動時刻的地震內(nèi)力控制。驗算表明，橋墩及樁基抗彎能力均可滿足抗震設防要求。

3.3.3 抗震性能分析小結

結構常規(guī)體系E1/E2 地震作用下，橋墩、樁基截面抗震能力不足；需調整橋墩、樁基的截面尺寸、配筋，增加支座水平抗剪能力，不具可行性。

減隔震體系下，對于摩擦擺支座體系，E2 地震作用下，墩柱能力需求比略大，截面抗彎能力未充分利用以限制支座位移。

拉索摩擦擺支座在E2 地震作用下，充分利用了下部結構抗彎能力情況，有效地控制了支座位移，合理平衡了地震內(nèi)力與地震位移的矛盾。

設計中結合力與位移的實際需求，選取合適的減隔震支座。

4 結語

本工程為國內(nèi)首次在8 度高震區(qū)的雙層高架橋梁采用上下層間立柱與兩層橋面結構固結為框架、框架下設隔震體系的雙層高架橋梁。采用減隔震設計后，在E2 地震作用下，橋墩、樁基均保持彈性，支座位移能力滿足要求。

綜上所述，本工程采用的結構體系及抗震設計新方案很好地滿足了高震區(qū)條件下的安全性和適用性，為今后類似工程設計提供了新的思路和有益的參考。