東明黃河公路大橋抗震設(shè)計(jì)

宋曉輝，方國(guó)強(qiáng)，白 潔

(中交集團(tuán)北京建達(dá)道橋咨詢有限公司，北京 100015)

1 工程概況

東明黃河公路大橋東接山東省日照至東明高速公路，西接河南省濟(jì)源至東明高速公路。主橋位于主河道內(nèi)，依據(jù)河道寬度及《東明黃河公路大橋防洪評(píng)價(jià)報(bào)告》，確定主橋跨徑組合為(67+7×120+67)m及三聯(lián)(67+6×120+67)m大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。依據(jù)《東明黃河公路大橋工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》，工程所處場(chǎng)地地震烈度為Ⅶ。該橋?yàn)楦咚俟飞系奶卮髽颍匾愿撸坏┰诘卣鹬性獾狡茐模瑢?dǎo)致巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。而且工程所處場(chǎng)地地震等級(jí)較高，因此必須重視該橋的抗震設(shè)計(jì)，確保大橋的抗震安全性能。

2 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)及地震動(dòng)參數(shù)

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》，本橋?yàn)锽類橋梁，抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為:E1地震作用下主要結(jié)構(gòu)基本不發(fā)生破壞，E2地震作用下潛在塑性鉸區(qū)域可進(jìn)入塑性狀態(tài)，震后可修復(fù)。地震動(dòng)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 工程場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)

3 剛構(gòu)—連續(xù)梁方案

主橋位于主河道內(nèi)，平均墩高20 m，根據(jù)縱向平面桿系計(jì)算結(jié)果，靠近變形零點(diǎn)的兩個(gè)主墩采用墩梁固結(jié)的結(jié)構(gòu)形式，其余為非固結(jié)墩。上部結(jié)構(gòu)采用變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，跨中梁高3.0 m，根部梁高7.5 m，梁高按1.8次拋物線變化。主梁頂板寬13.25 m，懸臂長(zhǎng)3.125 m，頂板厚28 cm，底板厚由跨中28 cm變至根部75 cm，腹板厚50～65 cm。固結(jié)墩采用雙薄壁墩，截面尺寸為7.0 m×1.8 m，非固結(jié)采用空心矩形墩，截面尺寸為7 m×4 m。承臺(tái)厚3.5 m，基礎(chǔ)采用21根直徑1.8 m的群樁基礎(chǔ)。本方案由于采用墩梁固結(jié)的結(jié)構(gòu)形式，順橋向、橫橋向整體剛度大，地震作用時(shí)上下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的地震力主要由固結(jié)墩承擔(dān)。

4 連續(xù)梁方案

本方案全橋主墩均采用連續(xù)梁結(jié)構(gòu)形式，墩頂設(shè)置雙曲面球型減隔震支座。上部結(jié)構(gòu)采用變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，尺寸同剛構(gòu)—連續(xù)梁方案。連續(xù)墩采用空心矩形墩，截面尺寸為7 m×4 m。承臺(tái)厚3.5 m，基礎(chǔ)采用21根直徑1.8 m的群樁基礎(chǔ)。雙曲面球型減隔震支座具有高阻尼、高耗能、低剛度、大變形、耐腐蝕等特性，能夠保證正常的支承豎向荷載、溫度變形、收縮徐變變形的要求。在地震作用下，可以耗散地震能量，減小上部結(jié)構(gòu)的慣性力，改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。本方案在地震作用下，所有主墩共同承受地震作用，下部結(jié)構(gòu)組合剛度低，而且雙曲面球型減隔震支座能夠耗散地震能量，減小上部結(jié)構(gòu)的慣性力，從而保證主體結(jié)構(gòu)不受破壞。跨徑布置見(jiàn)圖1。

5 抗震計(jì)算比選

抗震計(jì)算采用SAP2000有限元程序，建立主橋空間模型。模型順橋向?yàn)閄軸，橫橋向?yàn)閅軸，豎向?yàn)閆軸。主梁、墩柱、樁基均采用空間梁?jiǎn)卧３信_(tái)模擬為質(zhì)點(diǎn)，賦予承臺(tái)質(zhì)量，采用土彈簧模擬樁土作用。二期恒載等效為均布質(zhì)量施加于主梁上。

剛構(gòu)—連續(xù)梁方案計(jì)算模型采用彈性連接模擬支座，連接及邊界條件見(jiàn)表2。

圖1 連續(xù)梁方案橋型布置

表2 剛構(gòu)—連續(xù)梁方案邊界條件

連續(xù)梁方案計(jì)算模型采用摩擦隔震器單元模擬雙曲面球型減隔震支座，支座球心距H取5 m，滑動(dòng)摩擦系數(shù)μ取0.04，單個(gè)支座的恒載反力W為26 MN。雙曲面球型減隔震支座發(fā)生位移時(shí)，上部結(jié)構(gòu)自重沿滑動(dòng)曲面的切線方向產(chǎn)生分力提供回復(fù)力，同時(shí)鋼板間存在滑動(dòng)摩擦力。支座的側(cè)向力F等于回復(fù)力與摩擦力之和，F(xiàn)=(W/H)D+μW(sgnD)。支座屈服后的剛度Kh=W/H，式中D為支座位移。

根據(jù)計(jì)算，剛構(gòu)—連續(xù)梁的基本周期為3.30 s，連續(xù)梁的基本周期5.56 s。

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》，橋墩和樁基為抗震主要驗(yàn)算構(gòu)件，其中樁基按能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計(jì)。分別對(duì)剛構(gòu)—連續(xù)梁方案和連續(xù)梁方案進(jìn)行詳細(xì)抗震計(jì)算，橋墩和樁基關(guān)鍵截面的彎矩計(jì)算結(jié)果及縱筋配筋結(jié)果見(jiàn)圖2—圖4和表3、表4。

表3 橋墩配筋

表4 樁基配筋

根據(jù)以上圖表，連續(xù)梁方案與剛構(gòu)—連續(xù)梁方案相比，順橋向地震作用下，D103，D104號(hào)墩墩底彎矩減小了30%～40%，其余墩底彎矩略微增大;橫橋向地震作用下，D103，D104號(hào)墩墩底彎矩減小了80%，其余墩墩底彎矩減小了約90%。過(guò)渡墩及主墩縱筋配筋率分別減少了35%和50%。

連續(xù)梁方案與剛構(gòu)—連續(xù)梁方案相比，順橋向地震作用下，D103，D104號(hào)墩樁基最大彎矩減小了約30%，其余墩樁基最大彎矩略微增大;橫橋向地震作用下，D99～D108號(hào)墩樁基最大彎矩減小了50%。過(guò)渡墩樁基縱筋配筋保持不變，主墩樁基配筋率減小了45%。

6 結(jié)論

分析結(jié)果證明，連續(xù)梁方案可以顯著降低橋梁主墩及樁基礎(chǔ)的地震響應(yīng)，減小橋墩及樁基礎(chǔ)的鋼筋用量，對(duì)于保護(hù)結(jié)構(gòu)安全、降低工程造價(jià)都有非常明顯的效果。因此推薦連續(xù)梁方案作為東明黃河公路大橋主橋的設(shè)計(jì)方案。

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