龐 林 曾永平 陳克堅(jiān) 劉力維 董 俊

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

圖1 列衣上承式鋼桁拱橋示意圖(m)

巴塘站附近的列衣大橋，處于Ⅷ度區(qū)，地震動(dòng)峰值加速度0.20 g，段內(nèi)無(wú)明顯斷裂通過(guò)，最近的斷裂距離橋址約500 m。區(qū)內(nèi)地面標(biāo)高 3 473～3 663 m，跨越德曲河，相對(duì)高差190 m，自然坡度22°～59°，兩岸局部可見(jiàn)基巖出露，交通條件一般。在該區(qū)域建橋主要面臨高海拔和超高烈度地震的挑戰(zhàn)，由于地震之后檢查及修復(fù)極度困難，因此對(duì)擬建橋梁抗震性能要求較高。

鋼桁拱橋具有以下特點(diǎn)：(1)技術(shù)成熟，跨徑300 m的鋼桁拱橋國(guó)內(nèi)已實(shí)施了幾十座，施工技術(shù)非常成熟；(2)豎向剛度大，對(duì)高速鐵路具有很強(qiáng)的適應(yīng)性；(3)桿件相對(duì)較輕，制造、運(yùn)輸、架設(shè)和后期維修相對(duì)容易；(4)抗震性能較好，跨度490 m的怒江大橋亦采用該橋式,基本地震烈度Ⅷ，但為遠(yuǎn)場(chǎng)地震。

根據(jù)陳麗軍等人[1]的研究結(jié)果，上承式鋼桁拱橋在高烈度地震區(qū)具有良好的適應(yīng)性，故推薦列衣大橋采用上承式鋼桁拱橋方案。目前，針對(duì)鋼桁拱橋抗震性能的相關(guān)研究主要集中在不同減隔震措施的減震效果、參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和行波效應(yīng)影響等方面[2-5]。趙燦輝等人[6]的研究表明，拱腳是上承式鋼桁拱橋的危險(xiǎn)部位，行波效應(yīng)顯著增大了拱肋應(yīng)力，支座布置方式顯著影響拱肋內(nèi)力。李程等人[7]采用ANSYS中的零階優(yōu)化方法對(duì)武廣客運(yùn)專線1座鋼桁拱橋的鉛芯橡膠支座進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),指出支座的屈后剛度比對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)有重要影響。楊華平等人[8]研究了行波效應(yīng)對(duì)上承式鋼桁拱橋的影響，研究結(jié)果表明，行波效應(yīng)對(duì)大跨度拱橋地震響應(yīng)影響很大，但行波地震響應(yīng)與波速間不存在單調(diào)變化關(guān)系，為保證設(shè)計(jì)安全性，應(yīng)根據(jù)工程場(chǎng)地情況選取多種剪切波速計(jì)算行波效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。張永亮等人[9]針對(duì)有推力鋼桁拱橋，對(duì)比研究了速度鎖定裝置、粘滯液體阻尼器以及BRB防屈曲支撐的減隔震效果。田玉玲[10]對(duì)采用摩擦擺支座的城市大跨度鋼桁拱橋的抗震體系和抗震性能評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示摩擦擺支座具有良好的減隔震效果。

本文以列衣上承式鋼桁拱橋方案為分析對(duì)象，對(duì)近斷層地震區(qū)鋼桁拱橋的地震響應(yīng)規(guī)律和抗震設(shè)防措施進(jìn)行研究。

1 工程概況及動(dòng)力分析模型

列衣大橋位于直線上，平坡。推薦采用主跨 280 m鋼桁拱橋，矢跨比4.29。拱肋采用Q420耐候鋼，聯(lián)結(jié)系采用Q345qD。拱上立柱采用鋼桁架，立柱間距37.5 m，交界墩采用混凝土橋墩。橋面采用結(jié)合梁，混凝土板厚35 cm。拱頂桁高6 m，橫向間距9 m，拱腳桁高10 m，橫向間距20 m。拱肋截面尺寸1.8 m×2.0 m。主橋跨徑為(8×37.5) m連續(xù)梁布置，在主梁和鋼立柱接處布有4個(gè)支座，用于支撐主梁重量。主橋左側(cè)引橋布置形式為(24.7×2+32.7)m簡(jiǎn)支結(jié)合梁，右側(cè)引橋布置形式為(2×32.7) m簡(jiǎn)支疊合梁形式，立面示意如圖1所示。按照地震區(qū)劃，本橋設(shè)計(jì)地震峰值加速度0.20 g，周期0.45 s，屬近場(chǎng)地震。

采用有限元軟件Midas/Civil建立分析模型。對(duì)于近斷層橋梁，本文在3組貼合規(guī)范反應(yīng)譜的遠(yuǎn)場(chǎng)地震波基礎(chǔ)上，又根據(jù)橋址場(chǎng)地類型及與斷層的距離等在實(shí)測(cè)地震動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇了7組近斷層地震波進(jìn)行研究，近斷層地震波剪切波速 278～487 m/s，斷層距0.3～19.8 km，均為Ⅱ類場(chǎng)地波。考慮到大跨度橋梁的重要性及近斷層地震的危險(xiǎn)性，建議近斷層地震區(qū)大跨度鐵路鋼桁拱橋按兩階段設(shè)計(jì)方法，在我國(guó)GB 50111-2006《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的基礎(chǔ)上將設(shè)防目標(biāo)提高一級(jí)，即“中震不壞、大震可修”。

2 上承式鋼桁拱橋地震響應(yīng)規(guī)律

2.1 近場(chǎng)地震動(dòng)影響

近斷層地震動(dòng)卓越周期大，且通常具有速度大脈沖，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)影響較大。對(duì)比采用遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)的分析結(jié)果(如圖2所示)，近場(chǎng)地震動(dòng)作用下，鋼桁拱橋主要構(gòu)件應(yīng)力增加40%～60%，對(duì)鋼立柱及拱肋弦桿影響大。次要構(gòu)件增加40%～80%，其中對(duì)拱肋平聯(lián)橫桿影響最大。拱腳弦桿、拱頂弦桿和跨中鋼立柱等多處發(fā)生屈服，最大應(yīng)力需求達(dá)790 MPa，需采取減隔震措施。

圖2 近/遠(yuǎn)場(chǎng)地震響應(yīng)對(duì)比圖(罕遇)

2.2 豎向地震動(dòng)影響

近斷層地震動(dòng)豎向分量較大，為研究其對(duì)鋼桁拱橋的影響，將豎向地震動(dòng)峰值加速度由水平向的0.65倍調(diào)整至1.0倍，即取罕遇地震動(dòng)峰值加速度為0.38 g。對(duì)比各構(gòu)件應(yīng)力的增大比率發(fā)現(xiàn)，拱頂下弦桿應(yīng)力增加幅度最大，為46.3 MPa，應(yīng)力增大比率為9.5%。應(yīng)力增大比率最大值出現(xiàn)在斜腹桿處，最高達(dá)69.5%。絕大多數(shù)桿件應(yīng)力變化比率在20%以內(nèi)，拱橋最大應(yīng)力仍出現(xiàn)在拱腳處，最大應(yīng)力增大約26 MPa。

2.3 地震行波效應(yīng)影響

列衣橋鋼桁拱方案主跨280 m，剪切波速范圍為250～500 m/s。為分析行波效應(yīng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，采用相對(duì)運(yùn)動(dòng)法(RMM)對(duì)列衣大橋進(jìn)行多點(diǎn)激勵(lì)線性時(shí)程分析。兩橋墩(或拱腳)的地震波 “到達(dá)時(shí)間”差設(shè)置為0.3 s、0.6 s、0.9 s和1.2 s，行波效應(yīng)影響如圖3所示。由圖3可以看出，除拱頂下弦桿、拱底上弦桿的最大應(yīng)力高于一致加載結(jié)果(大于10%)外，其余位置桿件的最大應(yīng)力均增加不大。在多點(diǎn)激勵(lì)抗震分析中，相位差效應(yīng)的影響同結(jié)構(gòu)自振周期與地震波卓越周期的大小關(guān)系以及場(chǎng)地剪切波速有一定的相關(guān)性。若橋址場(chǎng)地條件較好，多點(diǎn)激勵(lì)對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響并不十分顯著。此外，非同步激勵(lì)使大跨度拱橋地震響應(yīng)顯著變化的主要影響因素并不是擬靜力作用，而是對(duì)稱振型，這是造成拱頂應(yīng)力變化的主要原因。

圖3 行波效應(yīng)影響圖

3 上承式鋼桁拱橋抗震對(duì)策研究

3.1 減震限位裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

在不采取減隔震措施時(shí)，拱橋最大應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂處且部分桿件出現(xiàn)嚴(yán)重應(yīng)力屈服。這主要是由主梁地震力傳遞到下部結(jié)構(gòu)時(shí)分配不合理所致，為此合理設(shè)計(jì)減震限位裝置參數(shù)就顯得尤為重要?？紤]鐵路耐久性要求，擬采用球型鋼支座配合減震限位裝置(鋼阻尼器)[11]的減隔震方式，布置方式如圖4所示。在罕遇地震作用下，支座固定約束方向的銷釘剪斷后成為活動(dòng)支座。

圖4 減隔震措施布置圖

建立簡(jiǎn)化模型，如圖5所示。主梁為連續(xù)梁，假定為剛體，交界墩兩側(cè)為簡(jiǎn)支梁，假定為質(zhì)量塊。支座摩擦系數(shù)取0.02，并考慮減震限位裝置間隙和彈性剛度，鋼立柱與減震限位裝置及支座串聯(lián)組成聯(lián)合抗側(cè)推體系。

圖5 簡(jiǎn)化計(jì)算模型圖

根據(jù)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，主梁地震力:

Ex=1.5Ag×md-ΣμRa

(1)

式中:Ex——順橋向固定端的水平地震力(kN)；

Ag——地震動(dòng)峰值加速度(m/s2)；

md——梁和橋面的質(zhì)量(t)；

u——活動(dòng)支座的摩擦系數(shù)；

Ra——活動(dòng)支座反力(kN)。

由計(jì)算可知，溫度變形引起的支座相對(duì)位移最大為10.5 mm，故初步擬定減震限位裝置間隙為20 mm，以滿足正常使用時(shí)，減震限位裝置不產(chǎn)生溫度次內(nèi)力的要求。將各鋼立柱上的減震限位裝置剛度設(shè)為優(yōu)化變量，初始值取20.2 kN/mm。將最小化各鋼立柱柱底彎矩方差作為優(yōu)化目標(biāo)。迭代優(yōu)化變量，結(jié)果如表1所示。

表1 減隔震裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用優(yōu)化后的減隔震設(shè)計(jì)方案進(jìn)行全橋非線性動(dòng)力時(shí)程分析，結(jié)果如表2所示。

表2 減隔震效果(罕遇地震)表

由表2可以看出，采取減震限位裝置后，幾乎所有構(gòu)件的應(yīng)力包絡(luò)值均有所降低。其中，鋼立柱、拱頂上弦桿和鋼立柱帽梁的減震效果明顯，罕遇地震動(dòng)作用下，減震率可達(dá)63%～81%。此時(shí)，最大支座位移為296 mm，且減震限位裝置未達(dá)到其極限承載能力，滿足抗震設(shè)防目標(biāo)要求。

3.2 拱腳應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)

經(jīng)減隔震設(shè)計(jì)后，拱腳桿件應(yīng)力仍然較大，不滿足抗震設(shè)計(jì)要求，增加拱腳桿件尺寸是最常見(jiàn)的解決方案之一。然而拱腳桿件尺寸增大后，其剛度也相應(yīng)增大，其臨近弦桿的應(yīng)力又會(huì)超出限值，如此惡性循環(huán)會(huì)導(dǎo)致截面過(guò)大，經(jīng)濟(jì)性不高。拱腳優(yōu)化設(shè)計(jì)方案如表3所示，優(yōu)化后拱腳處應(yīng)力如表4所示。

表3 拱腳優(yōu)化設(shè)計(jì)方案表

表4 優(yōu)化后拱腳處應(yīng)力比較表

由表3、表4可以看出，拱腳弦桿板厚由5 cm增大至8 cm，近拱腳桿件截面尺寸由2.0 m×1.8 m增大至2.2 m×2.0 m，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力位置由拱腳下弦1號(hào)桿轉(zhuǎn)移至近拱腳下弦3號(hào)桿，最大應(yīng)力由497 MPa降低至391 MPa，但仍不能滿足抗震設(shè)計(jì)要求。因此，調(diào)整設(shè)計(jì)思路，首先在拱腳處下弦桿鋼箱內(nèi)灌注混凝土，以期能顯著降低拱腳處應(yīng)力水平。其次考慮到鋼立柱的應(yīng)力水平較低，部分立柱最大應(yīng)力僅121 MPa，具有較大富余度，可通過(guò)減小鋼立柱截面尺寸來(lái)減輕上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量，進(jìn)而起到降低地震響應(yīng)的效果。增大拱腳處構(gòu)件尺寸和灌注混凝土對(duì)結(jié)構(gòu)自振特性的影響如表5所示。

表5 增大構(gòu)件尺寸及灌注混凝土對(duì)結(jié)構(gòu)自振特性的影響表

由表5可以看出，調(diào)整局部構(gòu)件尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)整體自振特性的影響并不明顯。采用拱腳灌注混凝土方案后，拱腳應(yīng)力由497.3 MPa降低至331.8 MPa，近拱腳下弦桿應(yīng)力由356.8 MPa降低至341.2 MPa，均滿足容許應(yīng)力要求。根據(jù)CECS 159-2004《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，對(duì)拱腳鋼管混凝土承載力進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果如表6所示。

可見(jiàn)拱腳鋼管混凝土截面承載也能滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

本文針對(duì)列衣大橋上承式鋼桁拱橋方案的近斷層地震響應(yīng)規(guī)律和抗震設(shè)防對(duì)策進(jìn)行了研究。首先分析了具有長(zhǎng)周期及大脈沖特性的近場(chǎng)地震動(dòng)、高豎向地震動(dòng)分量和地震行波效應(yīng)對(duì)鋼桁拱橋地震響應(yīng)的影響；然后結(jié)合列衣大橋抗震特點(diǎn)，考慮溫度變形影響和摩擦力作用，針對(duì)選用的減震限位裝置提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和參數(shù)，并分析了所達(dá)到的減震限位效果；最后對(duì)仍不能滿足抗震設(shè)計(jì)要求的桿件進(jìn)行截面優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出在拱腳位置灌注混凝土的解決方案，得出主要結(jié)論如下：

表6 鋼管混凝土承載能力檢算表

(1)具有長(zhǎng)周期、大脈沖的近場(chǎng)地震動(dòng)顯著增大了大跨鋼桁拱橋的地震響應(yīng)，本例中應(yīng)力增大比率達(dá)40%以上。豎向地震動(dòng)對(duì)拱頂下弦桿和斜腹桿影響較大，拱橋最大應(yīng)力增大約26 MPa。受橋址場(chǎng)地條件較好等因素影響，地震行波效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響并不十分顯著。

(2)拱上結(jié)構(gòu)墩梁之間采用合理的減震限位裝置或支座與減震限位裝置匹配設(shè)置，能有效改善墩梁的地震力傳遞，使鋼立柱和拱圈應(yīng)力分布更為合理。優(yōu)化后中間鋼立柱(含帽梁)和拱頂弦桿應(yīng)力的減震效果最為明顯，減震率為48%～81%，這也體現(xiàn)了減震限位裝置的隔震和滯回耗能效果。

(3)采用墩梁減隔震措施后，拱腳桿件應(yīng)力仍然較大，不能滿足抗震設(shè)計(jì)要求。通過(guò)對(duì)比分析增大桿件尺寸和在拱腳灌注混凝土兩種解決方案來(lái)降低桿件應(yīng)力，結(jié)果表明在拱腳鋼箱內(nèi)灌注混凝土是最為有效的措施。

綜上所述，在上承式大跨度鋼桁拱橋抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分重視近斷層長(zhǎng)周期、大脈沖和高豎向地震動(dòng)分量等特性對(duì)橋梁地震響應(yīng)的影響，并結(jié)合場(chǎng)地地震安評(píng)結(jié)果，充分考慮行波效應(yīng)可能產(chǎn)生的不利影響。通過(guò)合理設(shè)計(jì)減隔震措施能有效降低橋梁的地震響應(yīng)，但應(yīng)注意僅通過(guò)增大截面尺寸降低拱腳應(yīng)力既不經(jīng)濟(jì)也不合理，合理采用降低上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量并在拱腳灌注混凝土的方式可達(dá)到更優(yōu)效果。