全預制拼裝匝道橋梁減隔震設計研究

□文/程永歡

近年來，隨著交通運輸壓力日益增大，為緩解施工期間對周圍交通及周邊居民生活環境的干擾，縮短施工時間，快速、綠色施工成為城市橋梁建設面臨的迫切需求，全預制拼裝橋梁施工技術應運而生并在國內迅速推廣。目前上海、長沙、成都、紹興、長春等地都在大量采用全預制拼裝橋梁施工技術。經過長期的發展，橋梁上部結構的裝配化設計技術已經非常成熟，全預制拼裝橋梁需要解決的是下部結構的預制及連接問題，而下部結構抗震性能的研究是關鍵問題之一。

中新天津生態城航海道跨海濱大道連接力高匝道橋工程為天津首座采用預制拼裝技術設計施工的橋梁。工程位于抗震烈度8度區，具有高地震烈度、濱海環境、軟土地基等特點，對橋梁抗震設計較為不利，因此對其進行抗震性能分析具有重要的意義。本文以該工程為背景，選擇代表性聯橋梁結構進行地震響應分析并進行減隔震設計。

1 工程概況

中新天津生態城航海道跨海濱大道連接力高匝道橋工程包含WN及NW 兩條新建匝道。匝道上部結構標準段采用20 m先簡支后橋面連續小箱梁，跨線橋部分采用連續鋼箱梁結構；下部結構主要采用獨柱接蓋梁柱式墩和設系梁的雙柱墩兩種形式，立柱尺寸為1.8 m×2.0 m，采用鉆孔灌注樁群樁基礎。橋墩采用全預制拼裝工藝進行施工，立柱與蓋梁和承臺之間采用灌漿套筒進行連接。

根據地質勘察報告，擬建場地抗震設防烈度為8度，地震動峰值加速度為0.20g，設計地震分組為第二組。擬建場地為Ⅳ類建筑場地，地基土類型屬軟弱土。橋梁抗震設防類別為丙類，E1地震作用下抗震重要性系數取0.46，E2地震作用下重要性修正系數取2.0；抗震設計方法為A類；抗震措施按照9度設防。

2 有限元模型

2.1 模型

采用MIDAS Civil 程序建立本橋的有限元模型。模型中，主梁、橋墩、樁基均采用梁單元進行模擬；橋面鋪裝、護欄、橫隔板等荷載以梁單元荷載的形式施加在主梁單元上并將荷載轉化為質量，以考慮其對結構動力特性的影響；采用土彈簧考慮樁土的共同作用。見圖1。

圖1 動力計算模型

2.2 支座模擬

支座的模擬分為兩個階段：第一階段采用普通球形鋼支座，一般支撐的形式施加約束，運用反應譜方法進行試算；第二階段根據試算結果采用減隔震支座進行減隔震設計，采用非線性時程分析方法進行地震響應分析。

減隔震支座采用彈塑性鋼阻尼支座。該類型支座將普通的球形鋼支座與彈塑性鋼阻尼器相結合，既實現了常規支座承載、轉動和滑動的功能，同時在地震時又可以利用彈塑性鋼阻尼器耗散地震能量，達到減隔震的效果，避免結構發生地震破壞。彈塑性鋼阻尼支座具有外型美觀、耗能能力強、耐久性好、維護成本低等優點，在橋梁減隔震設計中應用較為廣泛。見圖2。

圖2 彈塑性鋼阻尼支座

彈塑性鋼阻尼支座的彈塑性鋼阻尼器和支座摩擦力可以分別簡化為雙線性恢復力模型和雙線性理想彈塑性恢復力模型。見圖3和圖4。

圖3 彈塑性鋼阻尼器雙線性恢復力模型

圖4 支座摩擦力雙線性理想彈塑性恢復力模型

2.3 地震動輸入的確定

根據文獻[1]的相關規定，結合本工程的場地特點確定本橋水平方向設計加速度反應譜，見圖5。

圖5 E1及E2水準下水平向設計加速度反應譜

根據試算結果，結構在E1狀態下就將進入彈塑性狀態，需要進行減隔震設計。故根據文獻[1～2]要求，依據E1、E2水平設計反應譜分別生成三條人工時程波進行非線性時程分析。見圖6和圖7。

圖6 E1水準下三條人工時程波

圖7 E2水準下三條人工時程波

2.4 曲線橋梁的地震輸入方向

曲線梁橋由于結構軸線隨著道路線性不斷變化，其動力特性相比規則直線橋梁也有一定差異，地震響應最不利方向，不一定就是全局坐標系的縱向或者橫向。對于曲線橋梁的地震輸入方向，應按照計算聯逐跨的中心連線方向分別縱橫向輸入并取包絡值，以此計算曲線橋梁的地震最大響應[1]。

3 計算與分析

3.1 自振特性分析

橋梁動力特性分析是研究橋梁振動問題的基礎，為計算地震作用下結構的動力響應，必須先進行橋梁結構的動力特性分析。本橋自振特性分析采用多重利茲方法，為保證振型階數在計算方向獲得90%以上的有效質量[1～2]，經試算取前100 階振型。表1 給出結構的前5階周期以及振型描述。

表1 橋梁結構周期以及振型描述

3.2 地震響應分析及驗算

采用E1和E2兩種概率水平、阻尼比為5%的設計反應譜對該橋進行抗震性能分析。E1水準地震首先采用彈性反應譜法計算，若支座水平承載力不滿足要求，再采用設計反應譜生成的人工時程波進行非線性時程分析；E2水準下由于支座進入非線性狀態，直接采用設計反應譜生成的人工時程波進行非線性時程分析。

3.2.1 反應譜分析

選擇P7～P10（連續鋼箱梁）和P12～P14(小箱梁)兩聯代表性的結構的地震響應進行E1地震作用下的地震響應分析。見表2。

表2 E1水準下支座地震響應

由表中2可知，固定墩P9、P13墩支座在E1水準地震作用下縱向剪力超過了支座縱向限位力，支座縱向被剪斷。所有的支座在E1水準地震作用下的橫向剪力基本都超過支座橫向水平限位力，支座橫向被剪斷。因此可判定，計算聯在E1水準下已經進入彈塑性狀態，需進行非線性時程分析。

3.2.2 非線性時程分析

根據E1、E2水準下反應譜生成的地震波，進行非線性時程分析計算，對支座位移、立柱及樁基承載力進行驗算。見圖8-圖11。

圖8 支座位移驗算

圖9 立柱控制截面承載力驗算（縱向）

圖10 立柱控制截面承載力驗算（橫向）

圖11 樁基控制截面承載力驗算（縱橫向組合）

由圖8 可以看出，在E1地震作用下，各減隔震支座位移均在設計容許位移之內，滿足性能要求；在E2地震作用下，部分支座位移略微超出容許位移，但是超出幅度并不大，考慮到橋梁上設置了彈塑性限位裝置，當支座位移接近容許值時，限位裝置也將發揮協同作用，主梁基本不會產生落梁風險，因此可以認為滿足性能要求。

由圖9 和圖10 可以看出，在E1地震作用下，所有橋墩軸力均為壓力，橋墩立柱縱向和橫向的彎矩值均小于初次屈服彎矩，立柱受力均在彈性受力范圍。在E2地震作用下，除P7 橋墩外，其余墩柱彎矩均小于初次屈服強度，均在彈性工作范圍。而P7 墩彎矩略微超過初次屈服強度，小于等效屈服強度，此時截面可能發生輕微損傷，結構整體反應基本還在彈性范圍，可以認為滿足抗震性能要求。

由圖11 可以看出，在E1水準地震作用下，樁基均處于受壓狀態，彎矩均小于初次屈服強度，樁基構件受力均在彈性受力范圍，滿足規范要求；在E2水準地震作用下，大部分橋墩的樁基會出現拉力，但拉力不大，彎矩均小于等效屈服強度，樁基構件受力均在彈性受力范圍，滿足規范要求。

4 結論與展望

綜合以上分析可以看出，本工程采用常規球形鋼支座，橋梁抗震性能無法滿足規范要求。采用減隔震設計后，E1地震作用下，支座剪力銷就會剪斷，進入彈塑性耗能工作狀態。但基礎、橋墩等還處于彈性狀態，不會發生破壞，滿足結構震后立即使用的抗震性能目標要求。E2地震作用下，支座位移滿足容許值要求；墩柱，基礎等處于彈性狀態基本無損傷，滿足該水準下的抗震性能目標要求。

本工程通過減隔震設計，橋梁結構可以滿足相關抗震設計規范要求，進一步說明在濱海、軟弱土場地環境、高烈度地區采用全預制拼裝橋梁結構是可行的，可以為同類橋梁的設計提供一定的依據?！酢?/p>