唐山曹妃甸工業(yè)區(qū)西通路高架工程抗震設(shè)計(jì)

張?jiān)獎(jiǎng)P

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

1 概述

唐山曹妃甸西通路高架橋工程始于二港池西區(qū)中路（K0+000），隨后跨越納潮河上的二港池大橋和一港池大橋，和正在建設(shè)中的西通路地面道路對(duì)接后沿線向東延伸，終于通島路東側(cè)（K11+170），全長(zhǎng)11.17 km。一期實(shí)施工程范圍：K5+985.000～K6+868.000，橋梁主線全長(zhǎng)883 m。主橋長(zhǎng)度276 m，采用兩座跨徑為138 m的單索面鋼管混凝土系桿拱橋，主梁為鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，橋面寬度29.5 m，鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)。圖1為主橋跨徑布置圖；圖2為橋梁橫斷面布置圖。

該工程位于唐山市，屬歷史強(qiáng)震區(qū)，抗震設(shè)防烈度為7度區(qū)，地震動(dòng)峰值加速度0.15 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.4 s。對(duì)中等跨度的梁式橋的抗震設(shè)計(jì)，一般參照《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 004-89）執(zhí)行。但該規(guī)范適用范圍有限，存在一些迫切需要解決的問(wèn)題，如：?jiǎn)渭円揽繌?qiáng)度抗震設(shè)防的問(wèn)題、綜合影響系數(shù)的問(wèn)題、對(duì)基礎(chǔ)保護(hù)不足的問(wèn)題、對(duì)細(xì)部抗震構(gòu)造設(shè)計(jì)的規(guī)定不足的問(wèn)題等，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于目前國(guó)內(nèi)外橋梁抗震研究水平。鑒于該工程的規(guī)模及其位于強(qiáng)震區(qū)的特點(diǎn)，目前沒(méi)有可依據(jù)的抗震規(guī)范，需做專(zhuān)門(mén)的抗震研究，以確保該工程的抗震安全性。

2 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、性能目標(biāo)和地震動(dòng)參數(shù)

2.1 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)目前的抗震設(shè)計(jì)發(fā)展水平，西通路高架橋工程抗震設(shè)計(jì)采用了兩水準(zhǔn)抗震設(shè)防、兩階段設(shè)計(jì)和基于結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計(jì)思想。對(duì)主橋部分，采用《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》中A類(lèi)橋梁抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：即50 a10%（E1地震作用）和50a3%（E2地震作用）兩種超越概率地震動(dòng)進(jìn)行抗震設(shè)防；對(duì)于引橋部分，采用《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》中B類(lèi)橋梁抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：即50 a63%，考慮1.3重要性系數(shù)（E1地震作用）和50 a3%（E2地震作用）兩種超越概率地震動(dòng)進(jìn)行抗震設(shè)防。

2.2 抗震性能目標(biāo)

根據(jù)主橋和引橋的設(shè)防水準(zhǔn)，針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)體系，采用基于結(jié)構(gòu)性能和構(gòu)件能力保護(hù)的抗震設(shè)計(jì)原則，提出了主橋和引橋各主要構(gòu)件在不同設(shè)防水準(zhǔn)下的性能目標(biāo)。

2.2.1 主橋

主橋橋墩和基礎(chǔ)等在E1地震作用下基本不發(fā)生損傷；在E2地震作用下，雖然可發(fā)生可修復(fù)的損傷，但要求地震發(fā)生后，基本不影響車(chē)輛的通行。

2.2.2 引橋

橋墩和基礎(chǔ)等在E1地震作用下基本不發(fā)生損傷，在E2地震作用下，墩柱可發(fā)生損傷，進(jìn)入塑性，按延性設(shè)計(jì)，但要求結(jié)構(gòu)不倒塌，震后可以修復(fù)，可供緊急救援車(chē)輛通過(guò)。

2.3 地震動(dòng)參數(shù)

基于《防震減災(zāi)法》，重大建設(shè)工程和可能發(fā)生嚴(yán)重次生災(zāi)害的建設(shè)工程，必須進(jìn)行地震安全性評(píng)價(jià)，并根據(jù)地震安全性評(píng)價(jià)的結(jié)果，確定抗震設(shè)防要求，進(jìn)行抗震設(shè)防。據(jù)此，委托河北省工程地震勘察研究院對(duì)該項(xiàng)工程進(jìn)行了地震安全評(píng)價(jià)，對(duì)一港池大橋工程進(jìn)行了地震危險(xiǎn)性分析，確定了橋址場(chǎng)地的地震動(dòng)特性，提供了在不同超越概率下對(duì)應(yīng)的地震動(dòng)參數(shù)（包括加速度反應(yīng)譜和地震時(shí)程曲線），見(jiàn)表1所列。

圖1 主橋跨徑布置圖（單位：m）

圖2 橋梁橫斷面布置圖（單位：m）

表1 場(chǎng)地設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)表

表中：PGA——地表加速度峰值；

αmax——地震影響系數(shù)最大值；

βmax——標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜最大值；

Tg——反應(yīng)譜特征周期。

3 橋梁抗震性能研究

3.1 主橋抗震性能研究

采用Sap2000有限元程序，按照不考慮河床沖刷（河床底標(biāo)高-15 m）和考慮5 m河床沖刷后（河床底標(biāo)高-20 m）兩種情況，分別建立一港池大橋主橋，以及與之銜接的兩側(cè)引橋的動(dòng)力空間計(jì)算模型（見(jiàn)圖3）。兩種情況下計(jì)算模型除土彈簧剛度不同外，其他參數(shù)皆為相同。

圖3 主橋抗震計(jì)算模型

根據(jù)主橋地震反應(yīng)特點(diǎn)，通過(guò)研究表明，主橋采用雙曲面減隔震支座可以有效地減少下部結(jié)構(gòu)地震力，從而節(jié)省工程量，因此，主橋均采用雙曲面減隔震支座進(jìn)行減震設(shè)計(jì)。在進(jìn)行非線性時(shí)程地震反應(yīng)分析時(shí)，考慮了雙曲面減隔震支座非線性性能。其中，雙曲面減隔震支座各參數(shù)取值如下：

（1）滑動(dòng)球面與轉(zhuǎn)動(dòng)球面之間的球心距滑動(dòng)面半徑H取為5 m。

（2）屈服力Fy：即臨界滑動(dòng)摩擦力，取支座恒載承載力×μ，其中μ為摩擦系數(shù)，取為0.02。

（3）初始剛度K：支座恒載承載力×μ/屈服位移，其中μ為摩擦系數(shù)，取為0.02；屈服位移取為0.002。

對(duì)不考慮河床沖刷和考慮河床沖刷后兩種情況的主橋動(dòng)力計(jì)算模型分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析，列出前20階振型周期及頻率和振型特征（見(jiàn)表2、表3）。

采用非線性時(shí)程方法，對(duì)主橋結(jié)構(gòu)的抗震性能驗(yàn)算結(jié)果表明：在E1地震作用（超越概率50a10%）和E2地震作用（超越概率50a3%）下，主橋采用雙曲面減隔震支座后，針對(duì)大橋不考慮河床沖刷和考慮河床沖刷兩種情況，主橋結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足預(yù)期性能目標(biāo)要求。

表2 不考慮河床沖刷模型基本動(dòng)力特性一覽表

表3 考慮河床沖刷模型基本動(dòng)力特性一覽表

3.2 引橋抗震性能研究

采用Sap2000有限元程序，建立東西兩側(cè)引橋的動(dòng)力空間計(jì)算模型，單元模擬方法與主橋相同。匝道段采用板式橡膠支座，主橋與各橋墩之間用線性彈簧單元連接。

在E1地震作用下，采用50 a63%超越概率反應(yīng)譜曲線對(duì)線性模型進(jìn)行地震反應(yīng)分析時(shí)，地震輸入方式：（1）縱向；（2）橫向，兩種方式。采用彈性反應(yīng)譜分析方法，計(jì)算中取前500階，按CQC方法進(jìn)行組合，在此基礎(chǔ)上考慮重要性系數(shù)1.3得到最終輸出結(jié)果，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行驗(yàn)算后可知：

（1）引橋各橋墩關(guān)鍵截面保持彈性，抗震性能滿(mǎn)足預(yù)期性能目標(biāo)要求。

（2）引橋各橋墩樁基礎(chǔ)保持彈性，抗震性能滿(mǎn)足預(yù)期性能目標(biāo)要求：

在E2地震作用下，采用50a3%超越概率的時(shí)程波（共3條地震波）對(duì)非線性模型進(jìn)行地震反應(yīng)分析時(shí)，地震輸入方式為：（1）縱向；（2）橫向，兩種方式。分析方法采用非線性時(shí)程分析方法，并取3條波的最大值作為最終輸出結(jié)果，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行驗(yàn)算后可知：

（1）引橋部分橋墩墩底截面進(jìn)入塑性，但其延性能力是足夠的。

（2）引橋各橋墩樁基礎(chǔ)按照能力保護(hù)設(shè)計(jì)方法計(jì)算內(nèi)力需求，經(jīng)過(guò)驗(yàn)算其抗彎強(qiáng)度滿(mǎn)足需求。

（3）按照能力保護(hù)原則，對(duì)進(jìn)入塑性工作狀態(tài)的引橋各墩柱進(jìn)行塑性鉸區(qū)域的斜截面抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算，經(jīng)驗(yàn)算其抗剪強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

西通路高架橋采用基于結(jié)構(gòu)性能和構(gòu)件能力保護(hù)的抗震設(shè)計(jì)原則，明確提出了主橋和引橋各主要構(gòu)件在不同設(shè)防水準(zhǔn)下的性能目標(biāo)，采用了合理的抗震措施，主橋采用雙曲面減隔震支座，改善了結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，提高了結(jié)構(gòu)抗震安全性的同時(shí)，又節(jié)約了工程投資，為今后類(lèi)似橋梁抗震設(shè)計(jì)提供了參考。

[1]范立礎(chǔ).橋梁抗震[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1997.

[2]范立礎(chǔ)，卓衛(wèi)東.橋梁延性抗震設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.唐山一港池大橋抗震分析[R].上海：同濟(jì)大學(xué)，2009.

[4]劉東，賈智信，孫長(zhǎng)軍，宋凱，陳亮.唐山曹妃甸工業(yè)區(qū)1#橋工程抗震設(shè)計(jì)[J].城市道橋與防洪，2011，（3）:45-47.