伊朗德黑蘭BR-06L/R特大橋方案設計和抗震計算

張海英，褚 彤

河南緯澤工程咨詢有限公司，河南鄭州 450016

伊朗德黑蘭BR-06L/R特大橋方案設計和抗震計算

張海英，褚 彤

河南緯澤工程咨詢有限公司，河南鄭州 450016

本文主要以伊朗德黑蘭北部高速公路BR-06L/R特大橋工程為研究案例，介紹了工程橋梁布孔原則、橋型方案比選及抗震分析。

橋型方案；橋型構造；抗震分析

伊朗德黑蘭北部高速公路BR-06（L/R）特大橋位于伊朗德黑蘭北部山區，橋位處地勢陡峭，地面高度變化劇烈，由于本橋位于9度地震區，橋梁抗震設防標準高，橋型方案的選擇主要由抗震能力決定。本工程設計荷載采用伊朗橋梁設計荷載規范的標準；橋寬為2m×13.10m；抗震設計采用伊朗抗震規范。采用的主要規范有：伊朗《139公路橋荷載規范》、《伊朗公路、鐵路橋梁抗震設計標準》及《美國公路橋梁設計規范》 （AASHTO），并參考中國交通部頒布有關公路橋梁設計與施工規范。

1 橋型設計方案及構造

橋梁設計橋型方案上考慮了3種方案，現澆剛構、現澆連續梁以及連續梁+剛構組合結構。由于本橋位于9度地震區，橋型方案的選擇主要由抗震能力決定，設計中分別對以上3種方案進行地震動力分析，擇優選擇最佳方案作為施工圖變更設計方案。

1.1 方案一：83m+150m+83m連續剛構

上部箱梁為單箱單室預應力混凝土箱梁，三向預應力混凝土結構。箱梁頂面橫坡與路線橫坡一致，箱梁底面水平。箱梁頂寬13.1m，底寬6.5m，頂板厚0.28m，懸臂長3.25m。合攏段處箱梁中心高度為3.0m，底板厚0.28m；0號塊處箱梁中心高為8.5m，底板厚0.9m；腹板厚0.5m～0.7m。

下部橋墩采用空心薄壁墩，墩身與上部箱梁固結。由于1#、2#橋墩高差較大（1#橋墩墩高32m，2#橋墩墩高64m），為使兩橋墩墩頂處剛度接近，根據橋墩高度，1#橋墩縱橋向寬5m，壁厚0.70m；2#橋墩縱橋向寬7.0m，壁厚0.90m；兩橋墩橫橋向寬度均為8.0m。1#橋墩采用擴大基礎，基底置于完整基巖上；2#橋墩采用8根直徑2.2m的群樁基礎，按嵌巖樁設計。由于該橋橋位處地震烈度較高，經計算分析表明，在兩橋臺處設置粘滯性阻尼器可顯著降低地震作用，提高結構抗震性能，故本次設計中參照原施工圖設計，單幅橋每個橋臺處需安裝 4 個阻尼器，即全橋共計采用 4×4=16 個阻尼器。阻尼器產品設計參數建議采用 C=3000,ξ=0.3，每只阻尼器的設計最大阻尼力±2500kN。主梁及橋臺的構造尺寸按照 KZ-2500S×650X 型阻尼器預留。在橋臺上設置 2個單向活動支座（豎向承載力為 4000kN，縱向活動）。

1.2 方案二：83m+150m+83m連續梁

上部箱梁構造與連續剛構方案（方案一）基本相同。下部橋墩采用空心薄壁墩，壁厚0.7～1.0m。橫橋向墩身等寬寬9.00m，縱橋向為變寬，墩頂寬5.0m，向下按50：1放坡。1#橋墩采用擴大基礎，基底置于完整基巖上，2#橋墩采用8根直徑2.2m的群樁基礎，按嵌巖樁設計。由于該橋橋位處地震烈度較高，經計算分析表明，在兩橋臺處設置粘滯性阻尼器可顯著降低地震作用，提高結構抗震性能，故本次設計中參照原施工圖設計，單幅橋每個橋臺處需安裝4個阻尼器，即全橋共計采用 4×4=16 個阻尼器。阻尼器產品設計參數建議采用 C=3000, ξ=0.3，每只阻尼器的設計最大阻尼力±2500kN。主梁及橋臺的構造尺寸按照 KZ-2500Sx650X 型阻尼器預留。在橋墩及橋臺上設置抗震型雙曲面球形支座。

1.3 方案三：83+150+83m連續+剛構組合結構

方案三是方案一與方案二的綜合方案。上部箱梁構造同方案一。由于1#橋墩墩高較小，2#橋墩墩高大，1#橋墩墩頂設置支座，2#橋采用墩梁固結方式。兩者均采用空心薄壁墩，1#橋墩采用擴大基礎，基底置于完整基巖上，2#橋墩采用8根直徑2.2m的群樁基礎，按嵌巖樁設計。

2 橋型方案抗震分析

此次方案設計中分別對前述三種橋型方案進行了抗震分析計算。由于本項目位于9度地震區，橋抗震設防要求高，橋型方案是否可行主要受抗震分析結果控制。在滿足結構抗震受力的前提下，選擇結構安全、方便施工、節約投資的方案。

2.1 抗震設計標準

結合橋位處地震基本烈度，考慮橋梁的結構總要性系數，根據有關規范、標準，選擇合適的抗震設防標準將直接關系到工程的投資；通過合理優化結構，采取適當的減隔震措施，本橋的抗震設防標準為“對中、低級的地震（7度以下）做到沒有重大損失，在強震（9度以下）時不倒塌”。

2.2 抗震分析計算方法的選擇

抗震分析計算方法有單振型反應譜法、多振型反應譜法、功率譜法、時程分析法。本橋主跨150m，墩高32m～64m，抗震分析采用非線性時程分析法。

2.3 加速度時程的選擇

結構的動力反應與結構的自震周期和地震時程輸入的頻譜成分關系密切，加速度時程的選擇直接關系到抗震設計的合理性和可靠性。BR06特大橋位于9度地震區，根據《伊朗公路、鐵路橋梁抗震設計標準》其設計地震波加速度動峰值為0.35g；參照美國規范及中國規范，9度地震區設計地震波加速度動峰值為0.40g。故此次抗震分析計算中選用了7條人工合成地震波，其地震動加速度峰值均在0.40g附近，將這7條地震波作為BR06特大橋的設計加速度時程，簡稱設計地震波。時程分析結果取7組地震波包絡值的平均值。在設計地震波作用下，結構發生彈性變形，進行結構的極限承載力驗算。

伊朗地震局提供三次實測強震記錄，其地震加速度動峰值橫波為0.48g～0.796g，縱波為0.505g～0.816g。其值均遠大于9度地震區伊朗規范規定的0.35g和美國規范的0.40g。在如此強的的地震作用下仍建結構進行彈性設計是不合適的，故將伊朗提供的地震波作為結構的延性設計驗算，結構在此情況下發生塑性變形，但不會完全破壞，經過適當維修后，結構可投入正常使用。取地震局提供的3組地震波對結構作用的最大值（包絡值）作為結構塑性區轉動能力驗算。

伊朗地震局提供的實測強震記錄有3次記錄，分別為1977年記錄的1054-1縱向與橫向地震波；1978年記錄的1084-1縱向與橫向地震波和1990年記錄的1362-1縱向與橫向地震波。它們的加速度峰值見表1。

表1 地震波加速度峰值

從表中顯示的峰值加速度來看，都很高，大于9°～10°，而且縱向大于橫向。不同的地震波對結構的作用，除了峰值加速度是一個很重要的因素以外，地震波的頻譜成分也十分重要，因此，在后面的計算分析中，對每一條地震波采用非線性時程分析法進行結構的縱、橫向抗震性能分析。

2.4 結構計算模型

抗震分析中分別對方案一（剛構）、方案二（連續梁）、方案三（連續+剛構）等3種橋型方案建立三維梁單元空間模型，利用空間有限元軟件MIDAS7.4進行結構動力特性及抗震性能分析。為方便比較，3種橋型方案的結構單元劃分基本一致，全橋上部結構共劃分為98個單元，即1～98號單元為上部結構單元，截面號為1～99；1#橋墩劃分為11個單元，分別為201～211號單元，截面號位201～212；2#橋墩共劃分為91個單元，分別為301～319號單元，截面號為301～319。詳見《結構離散圖》。對于雙曲面球形減隔震支座的滯回耗能和自動恢復功能，活動支座的摩擦耗能以及固定銷剪斷后的效應進行了模擬，同時模擬了阻尼器的阻尼耗能作用。1#橋墩基礎位于新鮮基巖上，計算時考慮豎向位移及轉角均為0，X、Y方向的轉動考慮地基變形作用；2#橋墩采用5.結構動力特性

BR-06（L/R）特大橋的設計思想為7度以下作用時，支座正常工作；7度以上（含7度）地震時固定裝置剪斷后，能快速恢復，經過適當維修，下次地震時，支座仍可安全、重復使用。經驗算，在7度以下地震作用時，結構均處于彈性工作狀態，下部結構裂縫均小于0.2mm。當地震作用達到9度時，下部橋墩結構裂縫大于0.2mm，但由于地震作用的短暫性，該裂縫在地震作用結束后可自行恢復。

2.5 結構抗震分析

結構抗震驗算分兩階段進行，第一階段是對結構進行在設計地震波作用下的抗震驗算；當結構滿足在設計地震作用下的受力要求時再進行第二階段的抗震驗算，即結構在更強地震作用（伊朗地震局提供的地震波）下的結構延性抗震驗算，否則不再進行第二階段的驗算。通過分別對三種方案的抗震特性值、橋墩控制截面內力標準值（設計地震波）、截面順橋向荷載及荷載組合（設計地震波）、順橋向驗算結果、橫橋向驗算結果（設計地震波）、主要截面位移進行抗震分析。由驗算結果知：第二種方案是可行的。即采用連續梁方案時，在設計地震作用下，1、2號橋墩墩頂、墩底截面順橋向極限承載力均能滿足規范要求；同樣在橫橋截面極限承載力也能滿足規范要求，墩頂、底處發生局部破壞，且修復后可正常使用。由于連續梁方案下部橋墩剛度小，地震等作用產生效應也相對較小，下部橋墩截面尺寸有調整空間，故采用連續梁方案可行。

3 結論

BR-06L/R特大橋設計采用錯幅布置即滿足了被交道凈空要求，同時又有效地減少了開挖石方量；對于處于9度地震區的特大橋結構進行了延性設計驗算。

[1]姚玲森.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，1990.

[2]張士鐸.橋梁設計理論[M].北京：人民交通出版社，1983.

U44

A

1674-6708（2011）39-0155-02

張海英，工程師，研究方向：橋梁工程

褚彤，助理工程師，研究方向：橋梁工程