8度區(qū)小箱梁結(jié)構(gòu)高架橋縱向地震反應(yīng)分析

王明曄

（上海市政交通設(shè)計研究院有限公司，上海市200030）

8度區(qū)小箱梁結(jié)構(gòu)高架橋縱向地震反應(yīng)分析

王明曄

（上海市政交通設(shè)計研究院有限公司，上海市200030）

以某8度區(qū)城市快速路高架橋為依托，選取一標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)裝配式簡支變連續(xù)小箱梁結(jié)構(gòu)為研究對象，分別采用常規(guī)結(jié)構(gòu)體系（板式橡膠支座）和減隔震結(jié)構(gòu)體系（鉛芯隔震橡膠支座）進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，比較不同支座設(shè)計體系下結(jié)構(gòu)的具體抗震性能，結(jié)果表明減隔震體系具有更優(yōu)的抗震性能。

小箱梁；板式橡膠支座；鉛芯隔震橡膠支座；減隔震

0　引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程的不斷加快，交通量不斷增加，與之相適應(yīng)的交通網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)需求不斷加大，各大城市相繼修建高架橋和快速路。預(yù)制裝配式小箱梁結(jié)構(gòu)合理、施工方便、工程造價較低，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。其作為裝配式結(jié)構(gòu)，易實現(xiàn)機(jī)械化、工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化施工，并以其較傳統(tǒng)T梁和空心板具有優(yōu)良的斷面形式和受力性能，在跨越20～40m的城市高架橋和公路橋梁中越來越多地被采用。小箱梁橋下視覺簡潔，梁高較矮，在梁高受限、景觀要求較高之處，也具有一定的優(yōu)勢。傳統(tǒng)小箱梁結(jié)構(gòu)均采用板式橡膠支座，其具有構(gòu)造簡單、安裝方便、節(jié)省鋼材、價格低廉、養(yǎng)護(hù)簡便、易于更換等特點(diǎn)。但是在高設(shè)防烈度地區(qū)，支座的抗剪切和抗滑移能力很難滿足現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計要求。為保證傳力路徑不中斷、提升結(jié)構(gòu)的抗震防災(zāi)能力，避免支座設(shè)計成為整個結(jié)構(gòu)設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，需考慮采用可替換的支座設(shè)計體系。

目前小箱梁設(shè)計中較少采用減隔震支座，本文選取某8度區(qū)城市快速路中一座典型的雙柱墩高架橋為研究對象，分別采用常規(guī)結(jié)構(gòu)體系（板式橡膠支座）和減隔震結(jié)構(gòu)體系（鉛芯隔震橡膠支座）進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，比較不同支座設(shè)計體系下結(jié)構(gòu)的具體抗震性能表現(xiàn)，以其對小箱梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計能有所參考。

1　工程概況與結(jié)構(gòu)建模

以某8度區(qū)城市快速路高架橋為依托，選取一聯(lián)裝配式簡支變連續(xù)小箱梁結(jié)構(gòu)為研究對象，按照《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)要求，采用單自由度反應(yīng)譜分析方法進(jìn)行抗震設(shè)計分析。

本高架橋中標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)為4×30m四跨連續(xù)小箱梁橋，單幅橋?qū)?3.0m，單向三車道，橫向布置四片梁；下部結(jié)構(gòu)采用雙柱墩加蓋梁式橋墩，墩高約為8m（含蓋梁高度），群樁承臺基礎(chǔ)，每幅橋墩下布置4根直徑1.2m的鉆孔灌注樁，樁基配筋率為1%，結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)立面見圖1。為摒除相鄰邊界的影響，將研究對象設(shè)為除過渡墩外的余下中墩。根據(jù)連續(xù)梁橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將結(jié)構(gòu)簡化為單自由度體系進(jìn)行計算，墩底樁基采用等效彈簧模擬基礎(chǔ)六個方向上的剛度，板式橡膠支座水平剛度根據(jù)支座橡膠層厚度進(jìn)行計算，減隔震支座采用等效水平剛度和等效阻尼比。

圖1　結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)立面圖（單位：mm）

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》、《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》附錄A.0.4，場地抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度值為0.20g，設(shè)計地震分組為第一組。橋梁抗震設(shè)防類別為乙類，場地類別為II類，根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》，采用兩級抗震設(shè)防，得E1和E2地震作用下水平設(shè)計地震動反應(yīng)譜見圖2。

圖2　設(shè)計反應(yīng)譜

2　常規(guī)結(jié)構(gòu)體系設(shè)計

常規(guī)結(jié)構(gòu)體系中，先簡支后連續(xù)的小箱梁的支座采用普通板式橡膠支座。板式橡膠支座是橋梁結(jié)構(gòu)中普遍采用的支座形式，板式橡膠支座的剛度根據(jù)橡膠層厚度計算得到。

表1所示為中墩墩底截面在兩級設(shè)防地震作用下的地震響應(yīng)以及能力驗算狀況，不考慮豎向地震作用，可以看出墩柱在E1地震作用下處于彈性狀態(tài)，墩柱在E2地震作用下已經(jīng)進(jìn)入塑性。若要墩柱能滿足彈性要求，要將墩柱的主筋由直徑25提高到直徑28，配筋率增加約25%。

表1　墩底地震響應(yīng)及驗算

表2為最不利單樁受力與截面驗算結(jié)果，可以看出中墩樁基礎(chǔ)在E1地震作用下處于彈性狀態(tài)，在E2地震作用下，雖然樁基礎(chǔ)出現(xiàn)拉力，但仍處于彈性狀態(tài)，仍能滿足能力保護(hù)構(gòu)件的彈性需求。

表2　最不利單樁驗算

在地震作用下，為保證傳力路徑連續(xù)，支座不應(yīng)發(fā)生剪切破壞和滑動，所以尚應(yīng)檢算支座的厚度和抗滑穩(wěn)定性。

支座厚度驗算：

式中：∑t——橡膠層的總厚度；

tgy——橡膠片剪切角正切值，取tgy=1.0；

XB——支座水平地震設(shè)計力產(chǎn)生的作用效應(yīng)組合后的支座水平位移。

支座抗滑穩(wěn)定性檢算：

式中：μd——支座的動摩阻系數(shù)；

Rb——上部結(jié)構(gòu)重力在支座上產(chǎn)生的反力；

Ehzh——作用效應(yīng)組合后的支座的水平力設(shè)計值。

表3為支座厚度驗算，表4為支座抗滑移穩(wěn)定性驗算，可以看出，在E1地震作用下，板式橡膠支座厚度可以滿足規(guī)范要求，支座抗滑移驗算不能滿足要求，在E2地震作用下，二者均不能滿足規(guī)范要求。

表3　支座厚度驗算

表4　支座抗滑移穩(wěn)定性驗算

橋梁支座的傳力路徑不可喪失，否則主梁位移難以得到有效的控制，極易發(fā)生落梁震害；根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》需要通過計算設(shè)置連接梁體和墩柱間的剪力鍵，由剪力鍵承受支座所受地震水平力或進(jìn)行橋梁減隔震設(shè)計。

3　減隔震結(jié)構(gòu)體系設(shè)計

減隔震設(shè)計是通過特定的減隔震裝置來提供地震作用下的柔性支撐和阻尼耗能機(jī)制，地震引起的變形和地震能量的耗散均主要發(fā)生在減隔震裝置上，從而避免主體結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷。從目前已建成的減隔震橋梁來看，減隔震裝置大多數(shù)設(shè)置在橋墩頂部，這主要是由于普通橋梁也使用支座，采用橋墩頂部隔震，只需用隔震支座代替普通支座即可，因而比較經(jīng)濟(jì)可行。常用的支座類減隔震裝置包括橡膠類支座和摩擦擺式支座，考慮到本工程小箱梁結(jié)構(gòu)較輕、尺寸較小、地震位移較小的特點(diǎn)，難以采用摩擦擺式減隔震支座，所以選用鉛芯隔震橡膠支座。

普通板式橡膠支座等效阻尼比在5%以下，鉛芯隔震橡膠支座等效阻尼比一般可在15%以上。鉛芯隔震橡膠支座在較低水平力作用下，具有較高的初始剛度，變形很小；在地震作用下，鉛芯屈服，剛度降低，延長了結(jié)構(gòu)周期，并消耗地震能量，大幅減小橋梁上部結(jié)構(gòu)加速度，使橋梁受力情況大為改善。因而具有很好的隔震效果，使結(jié)構(gòu)物在地震時的受力狀況明顯改善。

鉛芯支座主要性能參數(shù)見表5。

表5　鉛芯隔震橡膠支座性能參數(shù)

（等效剛度和等效阻尼比為對應(yīng)175%剪應(yīng)變下數(shù)值。）

我國《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》要求對減隔震橋梁進(jìn)行E2地震作用下的分析和驗算，對于橋梁墩臺和基礎(chǔ)的驗算，要求將減隔震裝置傳遞的水平地震力除以1.5的折減系數(shù)后，按現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》和《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》進(jìn)行驗算，這主要是考慮這些結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實際強(qiáng)度存在一定的超強(qiáng)性。

根據(jù)選取的減隔震支座參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的減隔震體系地震響應(yīng)分析，計算結(jié)果見表6～表8（僅給出E2地震作用下的結(jié)果）。

表6　墩底地震響應(yīng)及驗算

表7　最不利單樁驗算

表8　支座剪應(yīng)變驗算

可見橋墩和樁基礎(chǔ)在E2地震作用下，均能保持彈性，滿足規(guī)范要求。根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》，還要求橡膠型減隔震支座在E2地震作用下產(chǎn)生的剪切應(yīng)變應(yīng)在250%以下，并校核穩(wěn)定性。表8為支座剪應(yīng)變的驗算，可見支座剪應(yīng)變基本能滿足要求。

4　結(jié)論

本文針對某8度區(qū)城市快速路高架橋，選取標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)為研究對象，根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》，分別按照常規(guī)結(jié)構(gòu)體系和減隔震結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了抗震分析，比較了兩種體系所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)抗震性能。結(jié)果表明：

（1）采用減隔震設(shè)計體系后，下部結(jié)構(gòu)的受力得到改善，且支座可以滿足規(guī)范的相關(guān)要求。

（2）鉛芯隔震橡膠支座是適合于小箱梁結(jié)構(gòu)的減隔震支座。摩擦擺支座在小噸位支座上不具有經(jīng)濟(jì)性，鉛芯橡膠支座應(yīng)用范圍廣，實踐證明是較穩(wěn)定的減隔震支座。鉛芯隔震橡膠支座在嚴(yán)寒地區(qū)應(yīng)用時，應(yīng)采用耐寒型橡膠。除了鉛芯隔震橡膠支座外，高阻尼支座作為一種新產(chǎn)品，也有應(yīng)用，但筆者認(rèn)為高阻尼支座的溫度和耐久性問題不容忽略，在沒有更多實例依據(jù)的情況下，在嚴(yán)寒地區(qū)，應(yīng)該慎重采用。

四川南江陳家山隧道通車游客到光霧山節(jié)約1 h

位于四川南江縣光霧山景區(qū)的巴中市重點(diǎn)項目——陳家山隧道通車。南江縣城到光霧山景區(qū)不再翻越海拔1 800m高的陳家山，車程由2 h縮短為不到1 h。

陳家山隧道全長5.095 km。該項目2012年12月開工，累計完成投資2.8億多元。該隧道工程的竣工通車，使四川至陜西界里程縮短約8 km，極大地改善了巴中北上出川的交通環(huán)境，是南江縣南接巴中、北連陜西的重要公路。此隧道也將作為短途運(yùn)輸、旅游通道、應(yīng)急保障和輔助通道，與陜西桃園至巴陜高速公路巴中段共同形成南江、巴中乃至四川通往陜西的出川大通道。

U448.28

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1009-7716（2015）01-0045-03

2014-06-10

王明曄（1982-），女，黑龍江大慶人，工程師，從事橋梁設(shè)計工作。