縣東路涇河橋引橋抗震設(shè)計研究

楊根源，呂一新，徐百成，宮玉明

（中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710068）

1 橋梁概況

縣東路涇河大橋位于陜西省西咸新區(qū)涇河新城內(nèi)，本橋橫跨涇河，為連接西咸的快速通道。涇河橋全長1299m，共分9聯(lián)，跨徑組合為：北引橋（2×（4×30m）+（35m+50m+43m）+3×（4×30m）+6×30m）+主橋（120m+120m）+南引橋（48m+50m+48m），主橋結(jié)構(gòu)體系為120m+120m獨塔雙索面預(yù)應(yīng)力砼斜拉橋；引橋結(jié)構(gòu)體系為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁，下部橋墩采用雙柱式弧形橋墩，橋臺采用扶壁臺，基礎(chǔ)均為樁基礎(chǔ)。涇河橋引橋鳥瞰圖如圖1所示。

圖1 涇河橋引橋鳥瞰圖

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

涇河橋道路等級屬城市快速路，雙向8車道，設(shè)計速度60km／h，汽車荷載為城—A級；北引橋橋面寬為52.5m，南引橋橋面寬為59.5m；橋梁地震動峰值加速度為0.2g，地震基本烈度8度，抗震設(shè)防措施等級為9度；本橋設(shè)計安全等級為一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1。

3 抗震計算

3.1 性能設(shè)計目標(biāo)

涇河橋引橋為城市快速路上的橋梁，工程場地位于地震動峰值加速度0.20g區(qū)（相當(dāng)于地震基本烈度Ⅷ度）和反應(yīng)譜特征周期0.40s區(qū)，場地類別為Ⅱ類。依據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》（CJJ166—2011）（以下簡稱“抗震規(guī)范”），該橋?qū)儆谝翌悩蛄海瑧?yīng)采用A類橋梁抗震設(shè)計方法。在E1地震下（50年超越概率10%），引橋結(jié)構(gòu)在彈性范圍內(nèi)工作，構(gòu)件基本無損傷；在E2地震下（50年超越概率2.5%），引橋主梁、橋墩、基礎(chǔ)可發(fā)生有限損傷，經(jīng)搶修可恢復(fù)使用，永久性修復(fù)后恢復(fù)正常運營功能。

3.2 橋梁抗震耗能體系和抗震分析方法

因本橋橋面超寬達59.5m，上部主梁自重大；下部平均墩高11m，其自身剛度較大。在高地震烈度下，用墩柱硬抗很難通過，從延長結(jié)構(gòu)周期、消耗地震能量、降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)考慮，本橋結(jié)構(gòu)采用Ⅱ型抗震耗能體系，支座選用具有減隔震功能的HDR高阻尼隔震橡膠支座及減隔震球型鋼支座。支座平面布置圖如圖2所示。

圖2 支座平面布置圖

本橋采用減隔振設(shè)計，屬于非規(guī)則橋梁，依據(jù)抗震規(guī)范，本橋可只進行E2地震作用下抗震設(shè)計和驗算，且在E2地震作用下，非規(guī)則橋梁應(yīng)采用非線性時程計算方法。

3.3 結(jié)構(gòu)模擬

本次計算應(yīng)用MIDAS2010通用有限元程序，建立了橋梁的空間有限元模型，進行了動力特性分析、反應(yīng)譜分析和非線性時程分析。橋梁結(jié)構(gòu)（見圖3）模擬概況如下：

a）梁、柱采用空間桿單元，用集中質(zhì)量代表單元質(zhì)量，進行非線性時程分析時，墩柱采用鋼筋砼彈塑性空間梁柱單元；

b）HDR抗震支座采用鉛芯橡膠支座隔震裝置模擬，減隔震球型鋼支座采用彈簧模擬；

c）混凝土結(jié)構(gòu)阻尼比采用0.05，時程分析采用瑞利阻尼；

d）考慮樁土的共同作用，采用有效長度嵌固法模擬；

e）對于典型結(jié)構(gòu)邊界條件的影響分別采用橋墩或橋臺模擬；

在信息化教學(xué)的發(fā)展過程中，教師要具備一定的監(jiān)控能力，確保教學(xué)活動的有效開展，通過準(zhǔn)確的評價以此來得到合理的反饋，實現(xiàn)對教學(xué)活動的調(diào)節(jié)。在微課模式下要運用好教學(xué)活動，幫助學(xué)生掌握好重點知識。通過運用好微課技術(shù)，能夠借助信息化的數(shù)據(jù)來掌握學(xué)生的實際學(xué)習(xí)情況，同時也可以在信息化分析的基礎(chǔ)上來對教學(xué)效果進行評價。

f）不考慮伸縮縫處縱向連梁裝置的約束作用和相鄰梁端的縱向碰撞效應(yīng)。

圖3 橋梁結(jié)構(gòu)圖

3.4 地震動參數(shù)

依據(jù)涇河橋地震安全性評價報告，本橋橋址處10%、2.5%概率水平地震動持時分別為30s、32s，人工波時程間隔0.02s；10%、2.5%概率水平地震動峰值加速度Amax分別為0.239g、0.375g；10%、2.5%概率水平水平設(shè)計加速度反應(yīng)譜Smax分別為0.598、0.938，Tg分別為0.45s、0.6s。

3.5 動力特性

動力特性是進行橋梁抗震性能分析的基礎(chǔ)。一般情況下，結(jié)構(gòu)的前幾階自振頻率和振型起控制作用，計算中，為保證計算精度，采用了150階以上的振型，在計算方向的累計有效質(zhì)量達95%以上。通過分析結(jié)構(gòu)動力特性，得出以下結(jié)論：

a）本橋平面扭轉(zhuǎn)振型在前3階出現(xiàn)，耦合作用顯著，時程分析時應(yīng)同時輸入X向水平地震波和Y向水平地震波；

b）前3階振型是引橋的基本模態(tài)，主要振動形式是上部結(jié)構(gòu)的平動和扭轉(zhuǎn)；

c）上部結(jié)構(gòu)和耗能構(gòu)件（支座）相同的模型，橋墩較高的結(jié)構(gòu)，墩柱剛度相對較小，可產(chǎn)生較大的柔性變形，能夠消耗更多的地震能量，延長自振周期。

現(xiàn)列舉4×30m跨徑模型前4階計算結(jié)果如下：

a）動力特征值 前4階動力特征值如表1所示；

表1 前4階動力特征值

b）基本模態(tài) 1階順橋向平動模態(tài)如圖4所示，2階橫橋向平動模態(tài)如圖5所示，3階水平扭轉(zhuǎn)模態(tài)如圖6所示。

圖4 1階順橋向平動模態(tài)

圖5 2階橫橋向平動模態(tài)

圖6 3階水平扭轉(zhuǎn)模態(tài)

3.6 墩柱狀態(tài)

根據(jù)抗震規(guī)范第7.3.8條，截面的等效屈服曲率φ和等效屈服彎矩M可通過等效的理想彈塑性彎矩—曲率曲線求得。現(xiàn)列舉4×30m跨徑M—φ曲線如下：其中順橋向M—φ關(guān)系見圖7，橫橋向M—φ關(guān)系見圖8。

圖7 順橋向M—φ關(guān)系圖

圖8 橫橋向M—φ關(guān)系圖

E2地震作用下，墩柱順橋向、橫橋向最大彎矩均小于相應(yīng)的屈服彎矩，即墩柱處于彈性受力階段，開裂但未發(fā)生屈服。

4 構(gòu)造措施

本橋橋址處地震基本烈度Ⅷ度，地震等級高。為了提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震能力，除采用減隔震設(shè)計外，還采用了防落梁、減小沖擊力等抗震措施。具體構(gòu)造措施如下：

a）在箱梁底部設(shè)置橫向防撞擋塊，擋塊與橋墩間隙按介于E1、E2地震梁與墩橫向相對位移之間控制；

b）在各聯(lián)聯(lián)端兩箱梁端橫梁之間、箱梁與橋臺背墻、主引橋過渡墩處設(shè)置鋼絞線拉索防止落梁裝置；

c）在各聯(lián)聯(lián)端箱梁腹板處設(shè)置2 片400mm×400mm×20mm的橡膠緩沖塊，每個箱梁端部共12片；

d）因采用減隔震支座，地震時橋梁上部相鄰各聯(lián)間位移增大，伸縮縫的伸縮量要相應(yīng)提高；

e）適當(dāng)增加墩柱塑性鉸區(qū)域的配箍率，提高了墩柱延性，使塑性鉸區(qū)作為潛在的耗能部位。

防落梁裝置布置如圖9所示。

圖9 防落梁裝置布置圖

5 結(jié)語

本橋設(shè)計時引用了減隔震的設(shè)計理念，有效地改善了橋梁在地震作用下的受力狀況。綜合分析本橋各聯(lián)不同跨徑、不同墩高組合的抗震計算結(jié)果，梁橋的減隔震設(shè)計有如下特點：

a）在地震等級較高，橋墩剛度較大的情況下，采用減隔震支座，能有效的減小橋梁下部受力；

b）減隔震設(shè)計在降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，改善橋梁下部受力的同時，會增加橋梁上部與下部間的相對位移，對此設(shè)計時必須采取合理的構(gòu)造措施消除較大位移產(chǎn)生的不利影響；

c）減隔震設(shè)計所采用的高阻尼橡膠支座、防落梁裝置等構(gòu)件在構(gòu)造上對箱梁及墩臺結(jié)構(gòu)尺寸要求較高，擬定構(gòu)件尺寸時須充分考慮。

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