黃勁柏，蔣海英，潘崇仁

(1.新疆喀什噶爾河流域管理局， 新疆 喀什 844000；2.水利部 新疆自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院， 新疆 烏魯木齊 830000)

大跨度預(yù)應(yīng)力渡槽由于槽體內(nèi)存在大量水體，槽墩上部結(jié)構(gòu)重量將遠(yuǎn)大于一般橋梁上部結(jié)構(gòu)重量，具有“頭重”、“ 腳輕”、“身柔”的特點(diǎn)，對抗震和工程減災(zāi)較為不利[1-2]，國內(nèi)外研究總結(jié)了大型渡槽中應(yīng)用隔震技術(shù)的主要目標(biāo)，提出大型渡槽的地震反應(yīng)分析方法，應(yīng)用隔震技術(shù)可以改變結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性，減少槽身地震反應(yīng)[2-3]；通過采用抗震減震支座作為阻尼裝置，可增加結(jié)構(gòu)耗能能力，進(jìn)一步降低渡槽各部位的地震應(yīng)力反應(yīng)，提高整體渡槽的抗震性能[4-5]。因此，地震作用成為渡槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制性工況，對整個(gè)結(jié)構(gòu)安全性具有極其重要意義。如南水北調(diào)雙洎河渡槽工程所處地區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，槽身單跨長30 m，重量2 500 t，采用了摩擦擺式減震支座[6]；泜河渡槽工程所處地區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，采用了阻尼抗震球形支座[7]；云南省壩塘工程倒虹吸跨河大橋工程所處地區(qū)設(shè)計(jì)地震烈度高達(dá)Ⅸ度，首次引入鉛芯一橡膠支座減震技術(shù)[8]。

克孜河南岸干渠跨克孜河渡槽工程處于南天山與西昆侖山交匯地帶的克孜河出山口近沖洪積平原區(qū)，在新疆疏附縣克孜河南岸干渠樁號(hào)+500—1+240(跨克孜河)處，屬于新疆喀什噶爾灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程組成[9]。渡槽采用雙廂互聯(lián)式矩形結(jié)構(gòu)，槽身縱向設(shè)置預(yù)應(yīng)力，共22跨，每跨長30 m，共660 m，渡槽混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C50[9]。參照附近類似工程的安全性評價(jià)結(jié)論，工程區(qū)50年超越概率10%的地震動(dòng)峰值加速度為0.3g，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅷ度[10]。因此有必要針對渡槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中支座抗震減震中存在的難點(diǎn)問題，提出抗震減震方案措施，開展渡槽結(jié)構(gòu)抗震減震技術(shù)方案研究。

1 渡槽結(jié)構(gòu)抗震減震設(shè)計(jì)

1.1 支座初步選型

參照交通類規(guī)范，渡槽宜采用構(gòu)造簡單、性能可靠的抗震減震裝置，且應(yīng)在其性能明確的范圍內(nèi)使用。同時(shí)應(yīng)考慮其可更換性要求，能夠進(jìn)行定期維護(hù)和檢查[11]。結(jié)合本渡槽工程具體情況，開展普通板式橡膠支座、四氟板式橡膠支座、鉛芯隔震橡膠支座三種方案，其中普通板式橡膠支座具有一定的抗震性能[12]，而四氟板式橡膠支座、鉛芯隔震橡膠支座抗震性能良好。根據(jù)液體黏滯阻尼器減震原理，只要鉛芯隔震橡膠支座設(shè)計(jì)得當(dāng)，完全可以達(dá)到液體粘滯阻尼器的減震效果[13-14]。本渡槽工程抗震減震計(jì)算不考慮液體粘滯阻尼器方案。

根據(jù)運(yùn)行環(huán)境條件和工程實(shí)際情況，本渡槽工程分別選用GYZ750×171(NR)的圓形普通板式橡膠支座、GYZF4750×174(NR)雙向四氟板式橡膠支座、Y4Q770×232G0.8的圓形鉛芯隔震橡膠支座進(jìn)行初步對比分析的支座類型[9]。

1.2 抗震減震計(jì)算方法

參照公路規(guī)范[15]，根據(jù)渡槽建筑物級(jí)別3級(jí)及當(dāng)?shù)厍闆r，渡槽抗震設(shè)防類別確定為B類。即抗震設(shè)防目標(biāo)：在E1地震作用下，渡槽不受損壞或不需修復(fù)可繼續(xù)使用；在E2地震作用下，不致倒塌或產(chǎn)生嚴(yán)重結(jié)構(gòu)損傷，經(jīng)臨時(shí)加固后可供維持應(yīng)急輸水使用。其中E1地震作用是指重現(xiàn)期為475 a的地震作用，E2地震作用是指重現(xiàn)期為2 000 a的地震作用[1]。這里按照E1地震作用進(jìn)行渡槽彈性抗震減震計(jì)算分析。

地震作用采用設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜方法，阻尼比ξ為0.05的水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜中，任意時(shí)點(diǎn)的水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜值S可由式(1)確定。

(1)

式中：Tg為特征周期，s；T為結(jié)構(gòu)自振周期，s；Smax為水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜最大值。

水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜最大值Smax可由式(2)確定。

Smax=2.25CiCsCdAh

(2)

式中：Ci為渡槽抗震重要性修正系數(shù)；Cs為場地系數(shù)；Cd為阻尼調(diào)整系數(shù)；Ah為水平向設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)峰值加速度。

當(dāng)取結(jié)構(gòu)阻尼比ξ為0.05時(shí)，阻尼調(diào)整系數(shù)應(yīng)取Cd=1.0；當(dāng)結(jié)構(gòu)阻尼比不等于0.05時(shí)，阻尼調(diào)整系數(shù)Cd應(yīng)按式(3)計(jì)算。

(3)

渡槽總長度740 m，兩邊跨均為10 m，24中跨均為30 m，共計(jì)26跨，部分計(jì)算參數(shù)取值見表1。本渡槽槽墩為樁基排架墩，可假設(shè)為柔性墩，由于普通板式橡膠支座的存在，渡槽各跨上部結(jié)構(gòu)及各墩頂之間存在明顯的動(dòng)力耦聯(lián)作用，支座提供的上部結(jié)構(gòu)與墩頂之間的約束作用可視為水平彈性支承，其抗推剛度即為Ks。參照文獻(xiàn)[11]，普通板式橡膠支座渡槽結(jié)構(gòu)整體體系順槽向抗震計(jì)算簡圖見圖1。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和支座廠家技術(shù)資料，取圓形普通板式橡膠支座的剪變模量Ge=1.2 MPa，支座與混凝土接觸時(shí)的摩擦系數(shù)μ=0.3；四氟板式橡膠支座取μf=0.060下滑板支座摩擦力克服后進(jìn)行計(jì)算分析；圓形鉛芯隔震橡膠支座的剪切彈性模量0.8 MPa，該支座水平等效剛度即抗推剛度Ks=2.6 kN/mm、等效阻尼比ξ=0.193。

表1 部分計(jì)算參數(shù)

圖1渡槽結(jié)構(gòu)整體體系順槽向抗震計(jì)算簡圖

2 計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)上述抗震減震計(jì)算方法和樁基排架墩渡槽工程計(jì)算方法[11，15]，槽內(nèi)水體對渡槽結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響采用動(dòng)水壓力附加質(zhì)量的方式模擬[16]，編制了渡槽結(jié)構(gòu)支座抗震減震計(jì)算分析程序[11]，用以分析渡槽結(jié)構(gòu)自振周期、排架墩地震響應(yīng)、上部結(jié)構(gòu)地震位移和上部結(jié)構(gòu)支座剪切變形等。

2.1 渡槽結(jié)構(gòu)自振周期分析

渡槽結(jié)構(gòu)順槽向自振周期計(jì)算結(jié)果見表2，從表2可知，采用普通板式橡膠支座的渡槽結(jié)構(gòu)整體體系順槽向基本自振周期為3.923 s，由于上部結(jié)構(gòu)(包括水體)質(zhì)量大，渡槽結(jié)構(gòu)較柔，基本自振周期較長。如果上部結(jié)構(gòu)一端保留普通板式橡膠支座，另一端設(shè)置四氟板式橡膠支座，左槽臺(tái)上部結(jié)構(gòu)、1#墩—24#墩、25#墩基本自振周期分別減小67.2%、24.8%、55.9%。如果簡支梁兩端均設(shè)置4只圓形鉛芯隔震橡膠支座，則渡槽結(jié)構(gòu)整體體系基本自振周期變化不大，減小1.8%；普通板式橡膠支座的渡槽結(jié)構(gòu)整體體系順槽向第二階基本自振周期為0.360 s。設(shè)置四氟板式橡膠支座后，各墩第二階基本自振周期增加18.9%。設(shè)置鉛芯隔震橡膠支座后，體系第二階基本自振周期增加12.5%。

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)首先是結(jié)構(gòu)基本周期避開場地特征周期，本渡槽工程場地特征周期Tg為0.450 s，根據(jù)這三種支座抗震減震結(jié)構(gòu)順槽向基本周期計(jì)算結(jié)果，基本周期均避開場地特征周期，尤其是普通板式橡膠支座、鉛芯隔震橡膠支座渡槽結(jié)構(gòu)，有利于抗震。但第二階基本自振周期在0.360 s～0.428 s范圍，即0.1 s≤T2≤Tg，均會(huì)發(fā)生二階共振。

表2 渡槽結(jié)構(gòu)順槽向自振周期匯總表

2.2 排架墩地震響應(yīng)分析

減震系數(shù)定義為四氟板式橡膠支座、鉛芯隔震橡膠支座渡槽結(jié)構(gòu)與普通板式橡膠支座結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)比值，得到渡槽結(jié)構(gòu)整體體系順槽向排架墩地震響應(yīng)減震效果比較見表3，由表3可知，采用普通板式橡膠支座的渡槽結(jié)構(gòu)整體體系順槽向排架墩墩頂加速度為0.291g，墩頂位移8.113 mm，墩底剪力541.791 kN，墩底彎矩5 797.168 kN·m。相對于普通板式橡膠支座結(jié)構(gòu)而言，四氟板式橡膠支座、鉛芯隔震橡膠支座渡槽結(jié)構(gòu)順槽向排架墩地震響應(yīng)明顯降低，特別是四氟板式橡膠支座的墩頂位移，大多數(shù)墩的墩頂位移只有普通板式橡膠支座結(jié)構(gòu)的0.336倍，四氟板式橡膠支座結(jié)構(gòu)墩頂其他地震響應(yīng)減震系數(shù)變化不大，為0.577～0.612，平均0.590，即墩頂加速度、墩底剪力、墩底彎矩平均只有普通板式橡膠支座結(jié)構(gòu)的0.590倍。鉛芯隔震橡膠支座渡槽結(jié)構(gòu)減震系為0.512～0.632，平均0.595，即排架墩地震響應(yīng)平均只有普通板式橡膠支座結(jié)構(gòu)的0.595倍。

表3 渡槽結(jié)構(gòu)整體體系順槽向排架墩地震響應(yīng)減震效果比較

2.3 上部結(jié)構(gòu)地震位移響應(yīng)分析

渡槽結(jié)構(gòu)整體體系順槽向上部結(jié)構(gòu)位移地震響應(yīng)減震效果比較見表4，由表4可見，采用普通板式橡膠支座的渡槽結(jié)構(gòu)整體體系順槽向上部結(jié)構(gòu)位移邊跨為6.612 mm、中跨13.291 mm～13.358 mm，中跨比較大。渡槽結(jié)構(gòu)整體體系順槽向上部結(jié)構(gòu)位移地震響應(yīng)減震效果比較表3。相對于普通板式橡膠支座結(jié)構(gòu)而言，四氟板式橡膠支座、鉛芯隔震橡膠支座渡槽結(jié)構(gòu)順槽向上部結(jié)構(gòu)位移地震響應(yīng)明顯降低，尤其是四氟板式橡膠支座結(jié)構(gòu)，四氟板式橡膠支座結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)位移地震響應(yīng)減震系數(shù)為0.392～0.560，大多數(shù)為0.454，即上部結(jié)構(gòu)位移地震響應(yīng)大多數(shù)只有普通板式橡膠支座結(jié)構(gòu)的0.454倍。鉛芯隔震橡膠支座渡槽結(jié)構(gòu)減震系為0.621，即上部結(jié)構(gòu)位移地震響應(yīng)為普通板式橡膠支座結(jié)構(gòu)的0.621倍。

2.4 上部結(jié)構(gòu)支座剪切變形響應(yīng)分析

渡槽結(jié)構(gòu)整體體系順槽向上部結(jié)構(gòu)支座剪切變形響應(yīng)減震效果比較見表5，由表5可知，采用普通板式橡膠支座的渡槽結(jié)構(gòu)整體體系順槽向上部結(jié)構(gòu)支座剪切變形總的來說不大，邊跨為1.444 mm、中跨5.235 mm～5.302 mm，中跨略大。相對于普通板式橡膠支座結(jié)構(gòu)而言，四氟板式橡膠支座渡槽結(jié)構(gòu)順槽向上部結(jié)構(gòu)支座剪切變形邊跨有所放大，為普通板式橡膠支座結(jié)構(gòu)的1.419～1.796倍，其他跨剪切變形明顯減小，減震系數(shù)為0.654～0.663，大多數(shù)為0.654，即剪切變形只有普通板式橡膠支座結(jié)構(gòu)的0.654倍。鉛芯隔震橡膠支座渡槽結(jié)構(gòu)順槽向上部結(jié)構(gòu)邊跨剪切變形極小，其他跨也有所降低，減震系數(shù)為0.795～0.797，大多數(shù)為0.795，即剪切變形為普通板式橡膠支座結(jié)構(gòu)的0.795倍。

表4 渡槽結(jié)構(gòu)整體體系順槽向上部結(jié)構(gòu)位移地震響應(yīng)減震效果比較

表5 渡槽結(jié)構(gòu)整體體系順槽向上部結(jié)構(gòu)支座剪切變形響應(yīng)減震效果比較

3 抗震減震方案建議

3.1 抗震減震支座比選

根據(jù)以上分析，綜合比較渡槽順槽向及橫槽向自振周期、排架墩地震響應(yīng)、上部結(jié)構(gòu)地震位移響應(yīng)、上部結(jié)構(gòu)剪切變形響應(yīng)，提出抗震減震方案建議。渡槽結(jié)構(gòu)抗震減震效果綜合比較一覽表列于表6。

表6 渡槽結(jié)構(gòu)抗震減震效果綜合比較一覽表

注：表中☆、☆☆、☆☆☆分別指抗震減震效果指標(biāo)項(xiàng)為尚可、較好、最好。

根據(jù)初步設(shè)計(jì)資料，本渡槽工程普通板式橡膠支座、四氟板式橡膠支座、鉛芯隔震橡膠支座三種方案由于基本周期避開場地特征周期均較遠(yuǎn)，地震響應(yīng)都不是很大。相對而言，普通板式橡膠支座大多數(shù)抗震減震效果指標(biāo)項(xiàng)為☆，☆☆、☆☆☆分別只有一項(xiàng)，即大多數(shù)抗震減震效果尚可；四氟板式橡膠支座大多數(shù)為☆☆☆，☆、☆☆分別為三項(xiàng)、二項(xiàng)，即四氟板式橡膠支座大多數(shù)抗震減震效果指標(biāo)項(xiàng)為最好，但存在尚可指標(biāo)項(xiàng)；鉛芯隔震橡膠支座大多數(shù)為☆☆，占71.4%，其余28.6%為☆☆☆，即鉛芯隔震橡膠支座大多數(shù)抗震減震效果指標(biāo)項(xiàng)為較好，部分指標(biāo)項(xiàng)為最好，不存在尚可指標(biāo)項(xiàng)。因此結(jié)合《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[17](NB 35047—2015)抗震措施要求，建議采用Y4Q770×232G0.8的圓形鉛芯隔震橡膠支座方案。

3.2 校核分析

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，對選用的圓形鉛芯隔震橡膠支座方案開展渡槽整體體系順槽向基本周期見表7，排架墩、上部結(jié)構(gòu)最大地震響應(yīng)計(jì)算結(jié)果見表8。順槽向基本周期在空槽、設(shè)計(jì)流量水深、加大流量水深三種工況下分別為1.592 s、2.078 s、2.106 s，相對于空槽增加了30.5%和32.3%。槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選定方案整體體系順槽向最大地震響應(yīng)比較見表7，渡槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選定方案整體體系順槽向墩頂最大加速度三種工況下均為0.183g?？詹邸⒃O(shè)計(jì)流量水深、加大流量水深三種工況下墩頂最大位移分別為0.541 mm、0.650 mm、0.656 mm，后兩種工況比空槽增加20.1%、21.3%?？詹圩畲蠖盏准袅?、墩底彎矩分別為237.038 kN、2 536.305 kN·m，設(shè)計(jì)流量水深、加大流量水深工況下略有增加?？詹?、設(shè)計(jì)流量水深、加大流量水深三種工況下上部結(jié)構(gòu)最大位移分別為3.497 mm、4.551 mm、4.611 mm，后兩種工況比空槽增加30.1%、31.9%?？詹邸⒃O(shè)計(jì)流量水深、加大流量水深三種工況下支座最大剪切變形分別為3.060 mm、3.984 mm、4.037 mm，后兩種工況比空槽增加30.2%、31.9%。

表7 渡槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選定方案整體體系順槽向基本周期比較

表8 渡槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選定方案整體體系順槽向最大地震響應(yīng)比較

4 結(jié) 論

克孜河南岸干渠跨克孜河渡槽工程特點(diǎn)，論文初步選定了普通板式橡膠支座、四氟板式橡膠支座、鉛芯隔震橡膠支座三種方案作為抗震減震橡膠支座，從結(jié)構(gòu)順槽向基本周期、排架墩地震響應(yīng)、上部結(jié)構(gòu)位移地震和上部結(jié)構(gòu)剪切變形等角度對比分析抗震減震效果，可得到以下主要結(jié)論：

(1) 三種方案的基本周期避開場地特征周期均較遠(yuǎn)，地震響應(yīng)均有所降低。但鉛芯隔震橡膠支座大多數(shù)抗震減震效果指標(biāo)項(xiàng)為較好，部分指標(biāo)項(xiàng)為最好，不存在尚可指標(biāo)項(xiàng)，綜合抗震減震效果指標(biāo)項(xiàng)為最優(yōu)，可作為推薦設(shè)計(jì)方案。

(2) 順槽向基本周期、排架墩、上部結(jié)構(gòu)最大地震響應(yīng)周期在設(shè)計(jì)流量水深、加大流量水深兩種工況相對于空槽工況平均增加較多，但均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于采取措施前的水平，說明采取鉛芯隔震橡膠支座效果明顯，可以增加結(jié)構(gòu)耗能能力，有利于降低渡槽地震應(yīng)力反應(yīng)。