康 煒

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

1 工程概況

鄭州—西安客運(yùn)專線是我國“四縱四橫”快速客運(yùn)網(wǎng)中徐州—蘭州客運(yùn)專線的重要組成部分,其中陜西省境內(nèi)段落線路全長165.8 km,橋梁累計長度145.96 km(含聯(lián)絡(luò)線橋梁長度12.46 km),約占線路總長的88%,橋梁最大跨度120 m,最大墩高40.5 m[1]。線路于咸陽、渭南兩地共3次跨越渭河,該段范圍內(nèi)渭河屬于游蕩性向彎曲性過渡的河段,由于受三門峽水庫的影響,潼關(guān)高程不斷抬高,使得渭河泥沙淤積嚴(yán)重,造成小水大災(zāi),泄洪能力不斷降低；同時渭河南岸支流入渭困難,經(jīng)常決口泛濫；加之橋址上、下游7 km范圍有4座橋梁,更加惡化了行洪條件,因此防洪形勢十分嚴(yán)峻。鑒于渭河下游河道淤積嚴(yán)重、河勢游蕩多變,防洪形勢嚴(yán)峻,根據(jù)水利部門所做防洪評價報告對橋跨結(jié)構(gòu)設(shè)計提出以下要求： (1)灘地凈跨度不小于40 m；(2)主河槽跨度：一跨渭河不小于64 m,且連續(xù)梁長度不小于800 m；二跨渭河不小于80 m,且渭河大提內(nèi)應(yīng)全部布置連續(xù)梁(>2 900 m)；三跨渭河橋主跨不小于120 m,且渭河大堤內(nèi)應(yīng)全部布置連續(xù)梁(>1 300 m)。三跨渭河特大橋橋位示意見圖1。

2 三跨渭河橋梁設(shè)計概況[2]

2.1 場地概況

根據(jù)場地地震安全性評價報告三跨渭河特大橋橋址場地特征值見表1。

圖1 三跨渭河特大橋橋位示意

表1 三跨渭河特大橋橋址場地特征值

2.2 橋梁設(shè)計概況

二跨渭河特大橋立面見圖2,橋梁設(shè)計概況見表2。

三跨渭河橋梁部均采用單箱單室截面,梁底均采用二次拋物線,箱梁外輪廓尺寸見圖3,橋墩采用圓端形實(shí)體橋墩,基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。

圖2 二跨渭河特大橋立面(單位：cm)

表2 橋梁設(shè)計概況

圖3 箱梁斷面(單位：cm)

3 抗震設(shè)計原則

(1) 抗震設(shè)計采用“三水準(zhǔn)兩階段”設(shè)計原則[3]。

(2)地震力分析方法的確定,在設(shè)計過程中,針對二跨渭河橋分別進(jìn)行了反應(yīng)譜法和非線性時程法對比分析[4],分析結(jié)果見表3。

表3 地震力作用下固定墩縱向墩底彎矩分析對比 kN·m

從分析結(jié)果看,多遇地震情況下非線性時程分析法所得結(jié)果(與反應(yīng)譜法相比)約小25%,設(shè)計地震二者基本相等?？瓦\(yùn)專線橋墩剛度要求高,截面尺寸大,三跨渭河橋墩普遍較低,這就使得難以在墩底形成塑性鉸,達(dá)不到延性分析條件?？紤]到非線性時程分析過程中,采用了具有雙線性的非線性彈簧單元模擬活動墩滑動支座,摩擦系數(shù)取2%,同時考慮到實(shí)際工作的可操作性,設(shè)計采用反應(yīng)譜法計算結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。

(3)地震力計算時不考慮支座螺栓剪斷以及支座摩阻等產(chǎn)生的耗能作用,只在計算地震力時扣除活動墩支座摩阻力及固定支座螺栓剪斷后的支座摩阻力的影響。

(4)橋墩及基礎(chǔ)按多遇地震進(jìn)行設(shè)計,連接構(gòu)件按設(shè)計地震設(shè)計[3]。

4 多遇地震作用下橋墩及基礎(chǔ)抗震設(shè)計

4.1 地震力的計算條件

橋梁結(jié)構(gòu)動力特性分析采用離散結(jié)構(gòu)的有限元方法計算,有限元模型中以順橋向?yàn)閄軸,橫橋向?yàn)閅軸,豎向?yàn)閆軸,梁與橋墩均離散為空間梁單元,主梁與墩頂在Z、Y方向建立全主從約束,制動墩與梁在X方向建立主從約束,其他墩與梁在X方向?yàn)樽杂苫瑒?。基礎(chǔ)按樁土相互作用,按一般沖刷情況進(jìn)行計算樁基礎(chǔ)的剛度,并考慮承臺的質(zhì)量。地震力計算分別按縱、橫向兩種方式計算,取前200階模態(tài),按SRSS法進(jìn)行組合[5]。

4.2 地震力的計算結(jié)果(表4)

表4 地震力計算結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果可知,在多遇地震下,固定墩支座可承擔(dān)縱向地震水平力,可起到傳遞水平力的功能,同時可滿足抗震性能Ⅰ的要求。

4.3 橋墩及基礎(chǔ)設(shè)計情況[6，7]

橋墩基礎(chǔ)檢算結(jié)果見表5。

表5 橋墩基礎(chǔ)檢算結(jié)果

檢算結(jié)果表明：(1)客運(yùn)專線橋墩剛度較大,活動墩地震力不控制橋墩設(shè)計,僅需按構(gòu)造配筋即可；(2)客運(yùn)專線對橋梁梁部剛度要求高,梁部自重大,給固定墩的設(shè)計帶來較大困難,特別是長聯(lián)大跨結(jié)構(gòu),墩身配筋已非?？刂?；(3)固定墩樁基出現(xiàn)受拉樁,受拉樁在滿足抗拉承載力的前提下,其配筋率已達(dá)到了極限2.1%；(4)在地震力作用下,樁基最大樁頂反力已達(dá)14 000 kN,承臺配筋亦達(dá)到極限。

5 設(shè)計地震作用下連接構(gòu)件—抗震榫的設(shè)計

5.1 設(shè)計原則

(1)在設(shè)計地震作用下,固定支座已無法承擔(dān)水平地震力,按照震規(guī),橋梁上、下部連接構(gòu)件的抗震設(shè)防目標(biāo)采用抗震性能要求Ⅱ,設(shè)計地震作用時,允許支座發(fā)生一定破壞,但必須能夠修復(fù)。具體而言,對盆式支座,其薄弱部位是上下盆與橋梁結(jié)構(gòu)連接的錨固螺栓,而梁部錨固螺栓一旦破壞,修復(fù)將十分困難,因此將地震中允許破壞的部位設(shè)定為下部錨固螺栓處,其退出工作,抗震榫進(jìn)入受力狀態(tài),發(fā)揮抵抗地震水平力的作用。

(2)抗震榫完全按彈性設(shè)計時,所需結(jié)構(gòu)尺寸較大,設(shè)置困難,故抗震榫按彈塑性進(jìn)行設(shè)計。

(3)抗震榫錨固按極限狀態(tài)平衡法進(jìn)行計算。

(4)由于縱向水平地震力巨大,僅靠固定墩設(shè)置抗震榫難以抵抗其作用,故在其相鄰活動墩墩頂設(shè)置抗震榫,通過限位設(shè)計,使3個橋墩上的抗震榫共同參與結(jié)構(gòu)受力,即按抗震榫先后受力順序分配地震水平力。

5.2 抗震榫受力機(jī)理分析

抗震榫在彎矩作用下,當(dāng)外緣應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度時,開始進(jìn)入塑性變形狀態(tài),截面最外緣應(yīng)力達(dá)到屈服應(yīng)力,當(dāng)彎矩繼續(xù)增大時,截面最外緣應(yīng)變繼續(xù)增大,而最大應(yīng)力保持不變,即截面邊緣成為塑性,中間核心保持為彈性,體現(xiàn)在構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變曲線(圖4),可以近似地取εB=2εA,這是進(jìn)行水平力分配的基本假定[8、9]。

圖4 鋼材σ-ε曲線

5.3 抗震榫設(shè)計(以一跨渭河為例)

不同截面最大彎矩與屈服彎矩比值見表6。

表6 不同截面最大彎矩與屈服彎矩比值k

從制造工藝、工程經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)受力等多方面綜合考慮,選用上小下大的鋼混組合截面鋼箱混凝土(Q420q鋼箱內(nèi)填充C40混凝土)。在固定墩及兩相鄰活動墩設(shè)置抗震榫,根據(jù)計算,結(jié)合橋墩及主梁構(gòu)造,固定墩設(shè)置6根,相鄰兩活動墩各設(shè)4根,抗震榫具體尺寸詳見圖5。

圖5 抗震榫結(jié)構(gòu)(單位：cm)

5.4 抗震榫的計算

5.4.1 地震力求解

求解思路：固定墩支座下錨栓剪斷退出工作,3個橋墩抗震榫開始受力。按照此工作原理,將抗震榫代入計算模型,與橋墩形成合成剛度,應(yīng)用反應(yīng)譜理論進(jìn)行地震響應(yīng)分析。計算結(jié)果為：(1)周期T=0.831 s；(2)地震總水平力∑P=70 190 kN；(3)墩頂梁位移量Si(i=1～8號墩)：S1=5.19 cm；S2=5.16 cm；S3=5.22 cm；S4=5.73 cm；S5=6.36 cm；S6=6.81 cm；S7=7.05 cm；S8=7.08 cm。

5.4.2 支座摩阻力計算

活動支座摩阻系數(shù)取0.05,固定支座被剪斷后摩阻系數(shù)取0.3,扣除上述兩項摩阻力后剩余水平地震力為：∑P1=∑P-∑f=50 247 kN。

5.4.3 抗震榫考慮塑性變形時水平力分配

(1)抗震榫與箱梁預(yù)留鋼盒縫隙的設(shè)定

為保證箱梁在正常使用狀態(tài)下的自由伸縮,活動墩抗震榫與箱梁預(yù)留鋼盒間預(yù)留2 cm間隙,固定墩預(yù)留5 mm。地震力作用下考慮升溫15 ℃,此時固定墩相鄰活動墩溫度位移量0.96 cm,在此工況下3個橋墩抗震榫距抗震錨盒邊緣的距離如圖6所示。

圖6 抗震榫距錨盒邊緣距離示意(單位：mm)

(2)抗震榫極限水平力的確定

抗彎性能：墩頂截面(不考慮鋼箱內(nèi)混凝土) 截面面積A1=0.059 2 m2；截面慣性矩I1=2.28×10-3m4；

抗剪性能：梁底截面(考慮鋼箱內(nèi)混凝土) 截面面積A2=0.027 m2

按照受拉、受壓側(cè)鋼板達(dá)到屈服強(qiáng)度,腹板應(yīng)力可仍按線性分布計算,并忽略混凝土作用屈服彎矩Mmax=2σs×I1/h=3 557 kN·m；屈服剪力Pmax=Mmax/l=3 952 kN。

(3)地震水平力分配計算

地震水平力分配思路如下：

(4)抗震榫抗剪及錨固計算[10]

墩頂抗震榫內(nèi)力：水平力P=3 417.7 kN,彎矩M=3 221.8 kN·m

抗震榫抗剪應(yīng)力τ=P/A2=133 MPa<1.5[τ]=210 MPa

抗震榫錨固按極限狀態(tài)法計算,墩頂采用C40混凝土

根據(jù)圖7

(1)

x=0.4m

(2)

P1=5 007kN

抗震榫底部采用HRB335鋼筋焊接錨固于橋墩內(nèi)。

所需鋼筋面積As=P1/335=14 947mm2,

錨固鋼筋采用φ32mmHRB335鋼筋,根數(shù)n=As/804.3=18根。

圖7 抗震榫錨固受力示意(單位：cm)

6 結(jié)語

高地震區(qū)長聯(lián)大跨橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計是控制橋梁設(shè)計的重要因素,正確合理采用地震響應(yīng)分析,既能使設(shè)計簡化,又使工程安全經(jīng)濟(jì)?？拐鹇?lián)接構(gòu)件的合理設(shè)計尤為重要,抗震榫是行之有效的抗震措施之一,其結(jié)構(gòu)簡潔方便,經(jīng)濟(jì)效益明顯,且經(jīng)久耐用,減少養(yǎng)護(hù)工作。

[1] 張多平.鄭西客運(yùn)專線渭南渭河特大橋設(shè)計綜述[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2009(11)：43-47.

[2] 中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司.新建鐵路鄭州至西安線施工圖渭南渭河特大橋設(shè)計圖[Z].西安：中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,2007.

[3] 中華人民共和國鐵道部.GB50111—2006 鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范(2009年版)[S].北京：中國鐵道出版社,2009．

[4] 同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.鄭西客專渭南二跨渭河橋抗震性能研究報告[R].上海：同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,2007．

[5] (美)陳惠發(fā),段煉主編.橋梁工程抗震設(shè)計[M].蔡中民,武軍,等譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008．

[6] 中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—2005 J462—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社,2005．

[7] 中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—2005 J464—2005 鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社,2005．

[8] (美)S.鐵摩辛柯,J.蓋爾,著.材料力學(xué)[M].胡人禮,譯.北京：科學(xué)出版社,1978．

[9] 李承根講義.剪力榫的延性行為分析與結(jié)構(gòu)減隔震設(shè)計[Z].西安：2008．