深覆蓋層、高烈度地帶上承式拱橋抗震設計

曾應祝,陽 瑞

（核工業西南勘察設計研究院有限公司,四川 成都 610000）

0 引言

該項目所在地為山溝峽谷地帶，從地形上看是非常適宜修建拱橋[1]，而拱橋由于其特殊的結構特點，其通常設計在兩岸地質條件較好的情況下，通過兩岸的基巖為拱腳提供水平推力，而該項目所在橋址區右岸為土質邊坡，覆蓋層最大深度約為45 m，覆蓋層主要為碎石和塊石，其無法為拱橋提供足夠的推力，因此在進行橋梁設計時應盡可能地減小水平推力、增大邊坡抵抗水平推力的能力。而鋼桁架拱橋由于其自重輕，產生水平力小，跨越能力大，景觀效果好[2]，同時其結構延性大，對于拱座變形適應能力強，非常適宜該項目。

針對既有鋼桁架拱橋的研究主要有以下幾方面：李小珍[3]等研究了上承式鋼桁拱在多維地震作用下不同部位的損傷狀態，為鋼桁架拱橋的抗震構件設計提供了一定的參考意義；張永亮等[4]對比研究了粘滯阻尼器、BRB防屈曲支撐、速度鎖定裝置三種不同減隔震措施對上承式拱橋的減震效果，并針對不同的減隔震措施提出了合理的設計建議。以上眾多研究均是在考慮拱座位置處的地質條件較好的前提下，但對于一側拱座邊坡位于深覆蓋層的情形研究相對較少，該文結合該項目實際地質，進行抗震設計，并提出相應的抗震措施。

1 工程概況

1.1 地質條件

擬建大橋起點側邊坡主要以巖質邊坡為主，坡頂表層有少量第四系殘坡積堆積物。巖質邊坡坡體巖性主要為奧陶系下統湄潭組（O1m）的砂巖、寒武系上統二道水組（?3e）的白云巖，受區域地質構造影響，結構面發育，故各結構面相互組合切割，導致巖體被切割成不同大小的塊狀，極為破碎。

擬建大橋終點側邊坡主要為土質邊坡。邊坡地層結構主要由第四系殘坡積的碎石、塊石等組成。碎石母巖成分主要為白云巖、石灰巖，呈強—中風化，粒徑大于20 mm的顆粒質量占總質量的55%~70%，一般粒徑約20~100 mm，大者可達200 mm，含有約10%左右的塊石，塊石粒徑一般為30~50 cm，個別大者可達1.5 m，充填物主要為灰黃色可塑狀粉質黏土及角礫。邊坡坡腳位置出露有高約8~14 m的寒武系中統西王廟組（?2x）的紫紅色粉砂巖，巖體較破碎。在天然工況下穩定系數為1.413，地震工況下穩定系數為1.156，據此，可判定該邊坡在天然和地震工況下均處于穩定狀態。

1.2 結構總體布置

主橋采用主跨236.015 m（計算跨徑）上承式鋼桁架拱，主橋長度252 m。全橋橋跨布置為（27+29）m現澆預應力混凝土箱梁+252 m（主橋）+3×40 m先簡支后橋面連續預應力混凝土（后張）預制T梁。拱肋采用平面等截面桁架式結構，主桁上下弦桿組合截面中心線位置處計算跨徑236.015 m，計算矢高為47.138 m，矢跨比為1/5。拱桁弦桿中心線為懸鏈線線形，拱軸系數為1.5。桁架拱采用雙片主桁，主桁桁高為6.0 m，上、下游兩榀主桁平行布置，兩片主桁中心間距為10 m。主桁節間長度采用6.0 m，總體布置圖如圖1所示。

圖1 橋梁總體布置圖

拱上立柱采用箱形鋼立柱，蓋梁采用箱形鋼制蓋梁。

2#拱座采用擴大基礎形式，3#拱座基礎采用沉井+樁基礎的組合基礎形式。

主橋橋道系結合梁采用鋼梁高度1.6 m，預制板跨中厚度0.2 m，根部厚度0.3 m的形式。橫向采用四片鋼梁，預制板與鋼梁之間通過現澆C50鋼纖維混凝土及栓釘結合。

主橋采用全推力上承式無鉸拱，在分界墩及拱上立柱均采用HDR高阻尼隔震橡膠支座。

1.3 結構設計特點

（1）針對右岸基礎覆蓋層的情況，主拱采用鋼桁架拱，減輕拱圈自重并增大結構剛度，從而減小橋梁結構水平推力，同時，終點側拱座采用沉井+樁基礎的組合基礎。

（2）拱上立柱采用鋼結構、上部結構采用鋼混組合梁，減輕上部結構自重并增加結構延性。

（3）全橋均采用高阻尼支座。

1.4 抗震措施

該橋設置抗震措施如下：

（1）對現澆箱梁、預制T梁梁底設置橫向擋塊，并加大尺寸。

（2）加大墩頂平面寬度，防止落梁。

（3）設置上部結構梁體縱向橡膠墊塊。

（4）橫橋向在梁底擋塊與墩身之間設置減震橡膠墊，以吸收地震水平力，降低地震力對擋塊的破壞。

（5）全橋采用高阻尼橡膠支座，減小地震破壞力。

（6）高度大于7 m的柱式墩設置橫系梁，并在系梁區域的墩柱箍筋加密。

（7）所有墩柱柱頂、柱腳箍筋加密，并增加主筋的錨固長度。

（8）梁橋活動支座采取限制其豎向位移的措施。

（9）在連續梁聯端及鋼－混結合梁聯端、預制簡支T梁各跨的跨端設置縱向限位措施。

2 有限元模型及動力特性

2.1 有限元模型

采用Midas Civil空間梁單元、板單元建立全橋空間有限元模型。主橋上部鋼板組合梁的縱、橫梁采用梁格模擬，橋面板采用板單元模擬，其余結構均采用梁單元進行模擬。全橋共有節點3 293個，梁單元3 957個，板單元336個。建模時考慮樁土效應，各層土對樁基的作用采用“土彈簧”方式模擬，根據《抗震規范》鋼結構拱橋阻尼比采用0.03。全橋有限元模型如圖2所示。

圖2 全橋有限元模型

Midas Civil軟件可提供的抗震分析方法有反應譜法和非線性時程法。反應譜法以靜力的方法求解，在彈性狀態下其能夠提供一定準確度，但該項目設有高阻尼減隔震支座，需進行非線性時程分析，同時，根據規范[5]拱橋屬于非規則橋梁，其對豎向地震作用較為敏感，抗震計算時需要考慮豎向地震作用。為精確考慮拱橋在地震作用下的三個方向耦合效應，該次計算采用非線性時程分析計算方法[6]。

非線性時程計算所采用的人工地震波由《工程場地地震安全性評價報告》提供。

2.2 邊界模擬

（1）0#、6#橋臺滑動支座按照雙折線模型處理[5]。

（2）其余高阻尼橡膠支座按照雙線性模型處理[5]。

（3）2#拱座基礎置于中風化白云巖之上，模型采用固結邊界。

（4）1#、3#、4#、5#墩臺均考慮樁－土約束。其中，3#拱座為沉井+樁基礎組合基礎，對基礎附近岸坡進行穩定性分析時，發現基礎橋梁基礎附近土體水平位移較大，且隨深度減小，影響范圍約20 m。因此，為偏于安全考慮，沉井深度23 m范圍內的土體對基礎的約束均不計，從樁頂開始模擬土彈簧。

2.3 動力特性

橋梁自振特性采用多重Ritz向量法，為確保在縱、橫、豎向有足夠振型的參與計算，從而確保計算結果的準確性，結構在3個方向的振型參與質量均應不低于90%。

該橋第1階振型為主橋橫彎，第2階陣型為主橋縱漂，表明該橋縱、橫向剛度較小，該振型對縱向地震力貢獻較大；扭轉振型首次出現于第4階，振動模態為拱、梁均出現扭轉，表明該橋整體扭轉剛度相對較弱。而出現該種情況的主要原因為主梁位于拱肋以上，主梁在縱橫向整體處于單懸臂狀態，同時由于該橋的寬跨比較小，整體的橫向剛度較弱，因此，在進行結構設計時應加強縱橫向剛度設計，拱上立柱在橫向采用交叉網格方式，拱上主梁采用橋面連續方式，使結構在縱向整體性更強；主拱采用桁架式，豎向剛度大，主梁采用鋼混組合結構，其豎向剛度相對于簡支鋼箱梁有較大提高。

3 地震響應分析

在地震及恒載組合工況下，取三條地震波的最大包絡值作為計算結果。

3.1 全橋內力包絡圖

從圖3可以看出，在地震作用下拱上立柱彎矩相對較為均勻，交界墩墩底彎矩最大。

圖3 恒載+E2地震內力包絡圖

3.2 全橋鋼構件應力

全橋拱結構最大應力298 MPa，位于立柱柱底，低于Q345鋼的屈服應力345 MPa，全橋鋼結構均處于彈性范圍。

3.3 高阻尼支座滯回曲線

從圖4可以看出，在地震作用下高阻尼橡膠支座耗能充分，能夠有效地減小傳遞至立柱頂的地震力，同時支座的最大位移約為60 mm，可確保在地震作用下主梁的最大位移能夠得到有效控制。

圖4 地震作用下支座滯回曲線圖

4 結論

該文以某上承式鋼箱桁架拱橋為背景，結合其特殊地形，針對性采用合理的減隔震措施及結構設計，并對其進行動力特性分析及非線性時程分析，得到以下結論：

（1）全橋鋼結構最大應力為298 MPa，均處于彈性階段，地震作用下結構安全。

（2）針對單側深覆蓋層、地震烈度高的地質，采用合理的結構設計及抗震措施是可以采用拱橋結構形式的。