大跨度拱橋抗震設計探討

2016-11-18 02:27:24彭崇乾羅美輝

城市道橋與防洪 2016年7期

關鍵詞：橋梁分析設計

彭崇乾，羅美輝

（廣東省建筑設計研究院，廣東　廣州　510010）

大跨度拱橋抗震設計探討

彭崇乾，羅美輝

（廣東省建筑設計研究院，廣東廣州510010）

目前，國內外現有的絕大多數橋梁工程抗震設計規范只適應于中等跨度的普通橋梁，超過適用范圍的大跨度橋梁的抗震設計，則無規范可循。結合生產實例對大跨度拱橋的抗震研究分析提出了設計主要進行強度驗算，重視高階振型的影響和多點不同步激振（包括行波效應）和豎向地震動的影響，必要時采取適當的減隔震措施以減小地震反應，同時注重抗震措施的采用，確保大橋在設計地震作用下滿足設防標準要求。同時對抗震分析計算中遇到的問題加以分析進而提出相應的對策措施。

大跨度拱橋；抗震分析；減隔震措施

0　引言

隨著現代化城市人口的大量聚集和經濟的高速發展，對交通線的依賴性越來越強，而一旦地震使交通線遭到破壞，可能導致的生命財產以及間接經濟損失也將會越來越巨大。幾次大地震一再顯示了橋梁工程破壞的嚴重后果，也一再顯示了橋梁工程抗震研究的重要性。我國是一個多地震的國家，地震災害在我國頻頻發生。且據專家們預測，我國正面臨一個新的地震活躍期。盡管到目前為止，大跨度橋梁因地震而毀壞的情況并不多見，但是鑒于它們在經濟、交通等方面占據的特殊重要地位，以及20世紀國內外出現的幾次慘重的地震災害的教訓，對這些重大工程進行抗震設防研究還是十分必要的。

1　大跨度拱橋的抗震研究現狀

目前，國內外現有的絕大多數橋梁工程抗震設計規范只適應于中等跨度的普通橋梁，超過適用范圍的大跨度橋梁的抗震設計，則無規范可循。我國公路工程抗震設計細則只適用于主跨不超過150 m的梁橋和拱橋；我國鐵路工程抗震設計規范雖沒有說明跨度范圍，但說明“對特殊抗震要求的建筑物和新型結構應進行專門研究設計”。

由于拱橋不僅外形美觀，而且跨越能力大。在200～600 m跨徑范圍內，拱橋仍是斜拉橋和懸索橋的有力競爭對手。因此，現實設計中大跨度拱橋在實際工程中得到較廣泛的應用。

與中等跨徑的普通橋梁相比，大跨度橋梁的地震反應比較復雜。基于高階震型的影響比較明顯。需要考慮多點激振和行波效應、各種復雜的非線性因素、樁—土結構相互影響等等。而另一方面又沒有可遵循的現行規范。同時由于大型橋梁往往是一個區域的焦點，為追求獨特的美觀效果和與當地環境相適應，橋梁建設業主往往采用在全國范圍內進行方案競賽的方式選擇合適的橋型。一旦橋型方案確定后，由于建設周期相對較短，橋梁專業設計人員往往只能被動地進行橋梁結構在地震作用下的強度變形驗算，因而不能將先進的抗震設計思想充分地運用到橋梁的抗震設計中，從而影響抗震設計的效果。橋梁專業設計人員所能做的是根據能力設計思想對橋梁進行抗震能力分析、驗算，必要時進行減、隔震設計以提高結構的抗震能力。

2　大跨度拱橋的抗震研究方法

橋梁設計要重視橋梁結構動力概念設計，選擇較為理想的抗震結構體系；要重視延性抗震，用能力設計思想進行抗震設計；并適當采用減、隔震措施提高結構的抗震能力。

對重要、復雜、大跨度橋梁的抗震設計計算目前一般主要采用動態時程分析法，并以反應譜法做校核。動態時程分析法可精確的考慮地基和結構的相互作用、地震時程相位差及不同地震時程多分量多點輸入、結構的各種非線性復雜因素（包括幾何、材料、邊界連接條件非線性）以及分塊阻尼等問題。影響大跨度橋梁地震反應的因素主要有多點激勵及行波效應、各種非線性因素、阻尼問題和樁—土相互作用等。

大跨度拱橋的主要承重構件—主拱的軸壓比一般比較高，延性設計比較困難。故大跨度拱橋的抗震設計主要進行強度驗算，重視高階振型的影響和多點不同步激振（包括行波效應）和豎向地震動的影響，必要時采取適當的減隔震措施以減小地震反應，同時注重抗震措施的采用。

3　大跨度拱橋的抗震研究實例

下面結合廣州南沙明珠灣大橋的結構抗震分析來對大跨度拱橋的地震輸入的選取、動力計算模型的建立、動力特性分析、阻尼器型號和參數的選取及對橋梁抗震的影響、地震反應分析和抗震強度驗算進行初步的探討。

3.1設計基礎資料

明珠灣大橋主橋推薦方案采用96 m+164 m+ 436 m+164 m+96 m中承式五跨連續鋼桁拱橋，雙層橋面布置，二片主桁，上層為雙向八車道公路，兩側為人行道，橋面總寬41 m。下層中間為預留的BRT車道，管線走廊位于兩側。

主橋支座布置為：縱向一個主墩設置固定支座，其余墩設置活動支座，同時在另一個主墩上加設縱向阻尼裝置；橫向每墩一個支座橫向限位，一個支座橫向活動。橋式布置見圖1。

圖1　推薦方案橋型立面圖（單位：mm）

主橋主墩為28#、29#墩，墩高在9 m左右，采用整體式空心墩。承臺為八邊形，承臺尺寸為56.56 m×18 m×6.0 m（橫×縱×高）。樁基采用鉆孔灌注樁，樁徑3.0 m，單個基礎采用203.0 m鉆孔灌注樁，樁長約50 m。

3.2地震影響、地震動參數和地震作用

明珠灣大橋采用的地震動輸入參數主要依據廣東省工程防震研究院提供的《廣州南沙開發區新蕉門大橋工程巖土工程初步勘察報告》（以下簡稱安評報告）進行確定，見表1。

表1　抗震設計反應譜之參數值

3.3結構計算模型和主要輸入參數

明珠灣大橋整體分析時采用三維有限單元模型，其中主桁架、墩、樁基等用梁單元模擬，吊桿用索單元模擬，支承連接條件一般用合理的線性或非線性連接單元模擬。

主桁桿件均使用空間梁單元（beam4）建模，每根主桁架桿件和吊桿均采用一個桿單元來模擬，橋墩單元（beam4）根據墩高截面尺寸合理劃分。橋面板采用殼單元（shell63）進行簡化處理；結構二期恒載（鋪裝、管道等）采用集中質量法轉化為質點單元（mass21）加到相應的主桁架節點上。樁基通過在樁基礎相應位置處設置縱、橫橋向土彈簧的方法，來考慮樁土相互作用的影響，模型中僅考慮土彈簧剛度，忽略阻尼和質量特性的影響，土彈簧采用彈簧單元（Combin14）進行模擬，彈簧剛度根據土層的m值進行計算，分別設置縱向、橫向土彈簧。

粘滯阻尼器采用combin37單元進行模擬。

大橋動力有限元模型見圖2。

圖2　大橋動力有限元模型

3.4動力特性結算結果

計算分析以重力工況為初始條件，成橋設計索力以初應變的形式輸入。重力工況中考慮幾何非線性的影響。1～20階模態計算結果和振型特征見表2。

表2　結構動力特性

3.5彈性反應譜分析

明珠灣大橋抗震分析主要包含以下兩個內容：（1）彈性反應譜分析；（2）非線性時程分析，包括阻尼器參數分析。

地震動輸入按以下兩種方式組合：縱向+豎向；橫向+豎向。

由于對特殊大橋的抗震設計中，彈性反應譜分析僅作為校核手段，為節省篇幅，這里略去彈性反應譜分析結果。

3.6非線性抗震分析

非線性抗震計算中考慮了重力工況對于結構動力特性的影響，其中重力工況中考慮了幾何非線性的影響。時程計算時，鋼結構結構阻尼比取0.02，混凝土結構阻尼比取0.05。

地震動輸入按以下兩種方式組合：縱向+豎向；橫向+豎向。

3.6.1阻尼器參數分析

根據反應譜分析結果，在縱向地震作用下，由于P28墩設置了固定支座，地震力主要作用在P28墩，而相同截面和配筋的P27墩最大彎矩非常小，不到P28墩最大彎矩的0.1倍，在這種情況下采用在P27墩和桁架之間位置設置縱向阻尼器，可達到減小P28墩內力，使各墩協調受力，同時能夠減小主桁架內力和縱向位移，以及支座變形。

明珠灣大橋P27主墩處與桁架連接的阻尼器選型分析的阻尼系數和速度指數見表3，在縱向+豎向地震作用下進行不同阻尼器參數的交叉計算分析，計算結果取E2地震作用3組地震計算結果的最大值，共進行了12種不同參數阻尼器的計算分析。

表3　阻尼器參數分析工況表

分析結果顯示：（1）隨著阻尼系數的增大，P28剪力有明顯的減小，阻尼系數每增加1 000 kN/（m/s），支座剪力減小5 000～6 000 kN，可見阻尼器能有效降低P28支座縱向剪力；（2）隨著阻尼系數的增大，P27變形有明顯的減小，阻尼系數每增加1 000 kN/（m/s），支座剪力減小0.5 kN；（3）阻尼力隨著阻尼系數的增大而增大，對速度指數并不敏感。（4）無阻尼器時，P27設置縱向活動支座，P28墩設置了固定支座，因此P28墩底彎矩遠大于P27墩，在設置阻尼器后，阻尼系數每增加1 000 kN/（m/s），P28墩底減小約40 000 kN·m，而P27墩底彎矩僅增加了5 000 kN·m，可見阻尼器對降低主墩內力有明顯作用；（5）隨著阻尼系數的增大，軸力有一定的減小，阻尼系數每增加1 000 kN/（m/s），軸力減小1 000～2 000 kN，可見阻尼器對主桁架結構也有一定的減震作用，但是阻尼系大于3 000后，阻尼系數的影響有減小的趨勢；（6）隨著阻尼系數的增大，軸力有一定的減小，在阻尼系數增大到2 000 kN/（m/s）后，軸力有變大的趨勢；（7）隨著阻尼系數的增大，軸力有一定的減小，在阻尼系數增大到3 000 kN/（m/s）后，對軸力的影響在減小。

3.6.2非線性時程計算結果

根據阻尼器參數分析結果，本報告取阻尼器阻尼系數C=3 000 kN/（m/s）n，速度指數n=0.3的計算模型，采用非線性時程法進行地震反應分析。下部結構計算結果見表4～表7。為節省篇幅，僅列出主墩相關參數值。