王 平

(上海城興市政工程設(shè)計(jì)有限公司 上海市 200030)

0 引言

目前，橋梁抗震體系主要有兩種，延性抗震體系和減隔震抗震體系，延性抗震是允許墩柱產(chǎn)生塑性變形，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)塑型區(qū)域的剛度折減使結(jié)構(gòu)變?nèi)釓亩_(dá)到增大墩柱頂位移而消耗地震能量的效果；減隔震抗震體系是利用減隔震支座的滯回耗能特性增長(zhǎng)結(jié)構(gòu)自振周期和增大阻尼，從而達(dá)到消耗地震能量和降低地震結(jié)構(gòu)響應(yīng)的目的[1]。

本橋墩柱高度較小，不易在地震作用下形成塑性鉸，采用減隔震體系能保護(hù)上部結(jié)構(gòu)、橋墩和基礎(chǔ)不受損傷、在彈性范圍內(nèi)，減少了震后的修復(fù)工作。

1 工程概況

在建某連續(xù)梁上跨通航航道，規(guī)劃河口寬度62m，為Ⅵ級(jí)航道，主橋分兩幅設(shè)置，跨徑布置采用48m+76m+48m=172m的變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋。引橋采用標(biāo)準(zhǔn)跨徑為20m的剛接空心板梁，西側(cè)引橋?yàn)?跨，東側(cè)引橋?yàn)?4跨。見圖1。

圖1 主橋總體立面圖

主橋橫斷面布置：0.25m(欄桿)+3.75m(慢行道)+1.0m(機(jī)非分隔帶)+8.0m機(jī)動(dòng)車道+0.5m(分隔帶)+8.0m(有軌電車預(yù)留)+0.5m(分隔帶)+8.0m機(jī)動(dòng)車道+1.0m(機(jī)非分隔帶)+3.75m(慢行道)+0.25m(欄桿)=35m。

單幅橋梁采用單箱雙室截面，中支點(diǎn)梁高6.6m，邊支點(diǎn)和中跨跨中梁高2.4m，箱梁底板呈拋物線變化，中支點(diǎn)線型根據(jù)景觀效果進(jìn)行局部調(diào)整，箱梁標(biāo)準(zhǔn)段頂寬17.5m，外側(cè)挑臂長(zhǎng)3.0m，腹板厚0.45～0.65m，頂板厚0.26m，底板厚0.25～0.60m。墩頂設(shè)置橫梁，中橫梁厚為2.0m，端橫梁厚為1.5m。主橋采用掛籃懸澆施工，單個(gè)節(jié)段長(zhǎng)度3.5～4.5m，單幅主橋共有39個(gè)節(jié)段，其中包括1個(gè)主跨合龍段、2個(gè)邊跨合龍段、2個(gè)邊跨現(xiàn)澆段及2個(gè)0號(hào)塊。主橋主墩及過(guò)渡墩均采用矩形截面的柱式墩，主墩立柱尺寸為2.5m×2.5m，承臺(tái)平面尺寸14.5m×7m，高3m?；A(chǔ)為18根直徑為1m的鉆孔灌注樁。過(guò)渡墩立柱尺寸為2.5m×2.0m，單個(gè)承臺(tái)平面尺寸4.5m×4.5m，高2.5m，基礎(chǔ)為4根直徑為1m的鉆孔灌注樁。見圖2、圖3。

圖2 支點(diǎn)處橫斷面圖

圖3 跨中處橫斷面圖

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

2.1 支座參數(shù)

減隔震支座采用鐘擺原理，通過(guò)滑動(dòng)面的摩擦力消耗地震能和支座球面擺動(dòng)延長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)周期來(lái)實(shí)現(xiàn)減隔震的功能[2]。非隔震橋支座采用盆式橡膠支座，中墩采用JPZ(Ⅱ)-27.5，邊墩采用JPZ(Ⅱ)-6.0型支座；隔震橋支座采用摩擦擺支座，中墩支座選用JZQZ-27500/2750型支座，邊墩支座選用JZQZ-6000/600型支座，參數(shù)見表1。

表1 摩擦擺支座參數(shù)表

2.2 模型建立

采用MIDAS/Civil通用有限元程序，建立空間三維桿系有限元分析模型，見圖4，其中主梁、橋墩模擬為空間梁柱單元，承臺(tái)模擬為梁?jiǎn)卧?，通過(guò)剛臂與墩底節(jié)點(diǎn)連接，全橋共202個(gè)單元，樁基礎(chǔ)采用一般彈性支承模擬樁土相互作用，土彈簧剛度矩陣根據(jù)m法[3]計(jì)算確定。時(shí)程分析中將二期恒載轉(zhuǎn)換為質(zhì)量，通過(guò)靜力法定義無(wú)量綱加速度時(shí)程函數(shù)來(lái)考慮恒載效應(yīng)。非減隔震橋梁墩梁間采用彈性連接模擬支座；減隔震橋梁墩梁之間采用非線性彈簧連接，按表1計(jì)算參數(shù)輸入。本次設(shè)計(jì)采用瑞利阻尼建立阻尼矩陣，根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG/T 2231-01-2020，表示為下式[1]：

[C]=a0[M]+a1[K]

(1)

(2)

式中：[M]、[K]—結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度矩陣；

ξ—阻尼比，按0.05取值；

ωn，ωm—第n階和第m階圓頻率。

圖4 主橋有限元模型

2.3 動(dòng)力特性分析

根據(jù)上述建立的抗震計(jì)算模型，對(duì)兩種支座工況下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行了分析。結(jié)構(gòu)典型振型的動(dòng)力特性描述如表2、圖5所示。

表2 兩種工況下動(dòng)力特性對(duì)比表

圖5 兩種工況下結(jié)構(gòu)振型圖

根據(jù)現(xiàn)行《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》和本項(xiàng)目所在區(qū)域的場(chǎng)地類別并結(jié)合規(guī)范，本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜特征周期Tg取值0.55s。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可得出：采用減隔震支座方案的橋梁能夠明顯延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的固有周期。從而達(dá)到遠(yuǎn)離地震能量集中的頻率區(qū)段(反應(yīng)譜平臺(tái)段)，達(dá)到減隔震的效果。

2.4 地震波的擬合

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 2231-01-2020)，工程項(xiàng)目場(chǎng)地水平向設(shè)計(jì)反應(yīng)譜函數(shù)確定如圖6。

圖6 場(chǎng)地水平地震反應(yīng)譜

為進(jìn)行非線性時(shí)程分析，根據(jù)E2作用下反應(yīng)譜合成人工時(shí)程波。圖7所示為大震條件下3條人工波。

在進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)，地震動(dòng)輸入采用與水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜對(duì)應(yīng)的場(chǎng)地水平加速度時(shí)程。地震的激勵(lì)方向分別采用縱向和橫向兩種方式。時(shí)程分析結(jié)果采用3條時(shí)程波地震作用下的反應(yīng)最大值。

2.5 抗震性能分析

在縱向和橫向地震激勵(lì)下，分別計(jì)算得出減隔震體系橋梁和非減隔震體系橋梁墩柱的最大彎矩。鋼筋混凝土橋墩截面的抗彎能力(強(qiáng)度)采用纖維單元法進(jìn)行的彎矩-曲率(考慮相應(yīng)軸力)分析，將混凝土截面根據(jù)配筋布置劃分為多個(gè)纖維單元束，而每根鋼筋則作為單元束中的1個(gè)纖維單元。計(jì)算出的最不利彎矩和相應(yīng)彎矩需求以及支座位移見表3～表4。

圖7 加速度時(shí)程地震波圖

表3 縱向地震激勵(lì)下橋墩彎矩對(duì)比表

表4 橫向地震激勵(lì)下橋墩彎矩對(duì)比表

由表3、表4可以得出：縱向地震激勵(lì)下，兩種工況橋墩均處于彈性階段，減隔震橋梁主墩和過(guò)渡墩彎矩分配較為均勻，而非減隔震橋梁主墩彎矩較大，是過(guò)渡墩彎矩的5倍。

橫向地震激勵(lì)下，減隔震橋梁橋墩均處于彈性階段，而非減隔震橋梁主墩進(jìn)入塑性。兩種工況下過(guò)渡墩彎矩較為接近，主墩彎矩最大相差約4倍。

由表5、表6可得出，減隔震橋梁的支座位移普遍大于非減隔震橋梁的支座位移?？v向地震工況下，支座位移要高出1倍；橫向地震工況下，過(guò)渡墩高出1.5倍，主墩則高出2.5倍?？梢?，減隔震體系下，由于支座的鐘擺滯回效應(yīng)，上部結(jié)構(gòu)的震動(dòng)周期增加而導(dǎo)致梁體位移顯著增大。

表5 縱向地震激勵(lì)下支座位移對(duì)比表

3 結(jié)論

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG/T 2231-01-2020的要求，對(duì)采用減隔震設(shè)計(jì)的橋梁同時(shí)采用非減隔震設(shè)計(jì)進(jìn)行抗震效果檢驗(yàn)。以連續(xù)梁為例，分別對(duì)采用盆式支座的非減隔震體系和采用摩擦擺支座的減隔震體系進(jìn)行動(dòng)力特性分析和抗震性能分析，得出以下結(jié)論：

表6 橫向地震激勵(lì)下支座位移對(duì)比表

(1)非減隔震體系下橋梁位于地震能量集中的頻率區(qū)段，而采用減隔震支座方案的橋梁能夠明顯延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的固有周期，減隔震效果明顯。

(2)減隔震體系下橋梁在E2地震作用下，結(jié)構(gòu)均處于彈性階段，而非減隔震體系下橋梁在E2地震橫向作用下橋墩已進(jìn)入塑性。減隔震支座可明顯改善橋墩的受力狀況，使各橋墩內(nèi)力相對(duì)更加均勻。減隔震體系下橋梁在縱橫向的位移均增加較多。

(3)僅對(duì)兩種工況下的支座位移做定量比較，而橋梁是三維空間結(jié)構(gòu)，在地震作用下必將產(chǎn)生多方向的大位移，僅靠傳統(tǒng)的伸縮裝置難以滿足大震下的位移需求，從而會(huì)限制減隔震支座依靠鐘擺產(chǎn)生的滯回耗能的效果，導(dǎo)致減隔震效果降低，甚至墩柱進(jìn)入塑性狀態(tài)。所以減隔震體系的配套設(shè)計(jì)、限位裝置的應(yīng)用還需進(jìn)一步研究。