高速鐵路(100+200+100)m連續梁-拱橋抗震性能分析

張 揚 朱勇戰 蘇國明

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600)

1 引言

近年來我國發生多起大地震，均給當地交通網絡造成不同程度破壞，產生巨大經濟損失，而橋梁工程又是交通網絡中的重要部分。綜合考慮鐵路橋梁工程的重要性及修復復雜的現狀，針對高烈度地區重要復雜橋梁，設計需要運用減隔震技術，以提高橋梁的抗震能力[1]。結合目前國內大跨度梁拱組合結構橋梁抗震設計、減隔震設計均無規范可循的現狀，對其進行抗震性能設計研究尤為重要。文章以徐宿淮鹽鐵路徐洪河特大橋(100+200+100)m連續梁-拱為研究對象，對其進行動力特性及減隔震設計的分析研究，為高烈度地區類似工程抗震設計提供參考[2-3]。

2 工程概況

徐宿淮鹽鐵路位于江蘇省北部，連接徐州、宿遷、淮安、鹽城四市，線路以橋梁形式通過郯廬斷裂影響帶，徐洪河特大橋位于該地震帶處，采用(100+200+100)m連續梁-拱一跨跨越徐沙河，立面布置見圖1。主梁采用單箱雙室、變高度、變截面預應力混凝土結構，設縱、橫、豎三向預應力體系，邊跨和跨中直線段處梁高為6.0 m，中支點處梁高12.0 m。拱肋采用鋼管混凝土啞鈴型結構，計算跨度L＝200 m，設計矢高40.0 m，矢跨比f/L＝1/5。全橋共設置20組雙吊桿，順橋向間距9.0 m。

圖1 徐洪河特大橋立面布置(單位：cm)

每個橋墩支點處設置兩個支座，邊支座噸位12 500 kN，中支座噸位140 000 kN。各墩均采用圓端形實體墩，主墩墩高9.0 m，順橋向寬6.6 m，橫橋向長19.4 m，交接墩墩高10.4 m，墩身順橋向寬4.5 m，橫橋向長15.0 m?；A采用鉆孔灌注樁基礎，設計為摩擦樁。主墩采用30根2.0 m樁基礎，樁長為90 m；交接墩采用15根1.5 m樁基礎，樁長為59 m。該橋具有深基坑、超長群樁的特點。

橋址區地質以粉質黏土為主，不良地質主要為飽和粉土、砂類土的地震液化，特殊巖土為軟土、松軟土，設計過程中必須考慮郯廬斷裂帶對橋梁工程的影響。根據徐宿淮鹽鐵路地震安評報告，橋位處場地50年超越概率63.2%(多遇地震)、50年超越概率10%(設計地震)、50年超越概率2%(罕遇地震)三種概率水準的地震動參數取值見表1。

表1 場地水平向設計地震動參數(阻尼比為0.05)

3 動力特性分析

采用大型計算分析軟件MIDAS Civil建立空間有限元模型，對全橋進行動力特性及抗震性能分析，全橋共計682個節點，622個單元。動力計算時時主梁、拱肋、墩柱、承臺均采用梁單元模擬，吊桿采用桁架單元模擬。計算將相鄰孔簡支梁的自重、二期恒載以及活載轉化為集中質量，施加于相應位置，并將相鄰孔簡支梁跨在連續梁拱側縱向全部設為活動支座。在模擬樁-土作用中，將樁基礎視為彈性支承，在墩底作用六個方向的彈簧等代群樁作用，六個彈簧剛度分別是三方向的抗推剛度，繞豎軸的抗扭剛度和繞兩個水平軸的抗彎剛度，彈簧剛度數值根據“m”法確定[4-6]。計算模型見圖2。

圖2 主橋空間計算模型

橋梁結構的動力特性是進行其它一切動力分析的基礎，其性能取決于橋跨結構的組成體系、各構件剛度、質量分布以及支承條件等因素。分析結構的自振特性是為了預計結構自振頻率和估算結構對預期激振的響應，不致產生共振。主橋成橋狀態前六階的動力特性見表2，振型圖見圖3。

表2 成橋狀態結構動力特性

圖3 成橋前六階振型圖

本橋前兩階振型均為拱肋橫彎，說明本橋橫向剛度較小，是地震分析中重要關注點。橋梁基頻為0.361 Hz，屬于柔性拱橋頻率范圍，這與本結構強梁弱拱的設計特性一致。主梁在第3階振型出現縱飄，面外振型出現在面內振型之前，說明本橋面外剛度小于面內剛度。同時由于縱飄的出現，將產生很大的縱向水平力，而連續梁橋的水平力由制動墩承擔，所以在抗震設計時制動墩的設計應該做設計的重點加強部位。拱肋在前6階振型中均為面外振型，可見拱肋的縱向剛度比橫向剛度偏大[7]。

4 抗震性能分析

4.1 抗震設防目標及地震波的選擇

依據《鐵路工程抗震設計規范》(GB 50111-2006)，考慮本橋重要性，在罕遇地震作用下需保持橋梁結構的基本通行功能，并滿足“大震不倒”的抗震設防目標，本橋的抗震設防標準按表3取用[8-9]。

表3 結構抗震設防目標

在結構具體計算時取用原則為[10]:

(1)按多遇地震50年超越概率63.2%的地震動參數檢算結構物的強度，并考慮重要性系數1.5(水平地震動峰值加速度Amax＝0.096g)。

(2)按照設計地震50年超越概率10%的地震動參數驗算上、下部結構連接構造的位移(水平地震動峰值加速度Amax＝0.340g)。

(3)按罕遇地震50年超越概率2%的地震動參數對橋墩基礎進行強度驗算，按極限強度進行控制設計(水平地震動峰值加速度Amax＝0.580g)。

多遇地震作用下采用反應譜法計算結構響應，設計地震動加速度反應譜計算公式取為:

式中，Amax為設計地震動峰值加速度；β(T)為設計地震動加速度放大系數反應譜；T為反應譜周期；βm為放大系數反應譜最大值；T1為第一拐點周期；Tg為反應譜特征周期。式中各參數的取值按表1取值。

時程分析采用地震安評報告給出的場地設計加速度時程曲線，計算時采用各設防水準的三組時程曲線取其結果的平均值。不同水準情況下時程曲線如圖4～圖6所示。

圖4 多遇地震作用下時程曲線

圖5 設計地震作用下時程曲線

圖6 罕遇地震作用下時程曲線

4.2 抗震體系比選

連續梁在縱向地震作用下存在固定墩受力過大問題，高烈度地區強制要求大跨度結構橋墩及其基礎滿足強度要求是不經濟的，大跨度橋梁采用延性抗震設計發生的損傷又修復比較困難，而通常使用常規支座無法滿足抗震設防要求，采用減隔震設計可有效提供結構優化空間。

目前橋梁工程中常使用的減隔震技術主要分為兩類:一是采用減隔震支座延長結構周期，從而減小地震反應；二是采用阻尼器增加結構的阻尼來耗散能量，以減小結構的位移并提高橋墩的抗震性能。結合鐵路橋梁的設計特點，本橋考慮采用雙曲面球型減隔震支座和液體粘滯阻尼器兩種減隔震措施進行比選。

雙曲面球型減隔震支座在地震不發生的情況下，其功能與普通球型支座相同，可滿足橋梁的正常運行時的位移及承載功能需求。當地震發生后，其限位裝置剪斷，限位方向約束解除，發生滑動，起到減隔震作用[11]。這類支座通過增設平面摩擦副，使其在正常使用時不發生梁體抬高，地震時具備減隔震功能，同時地震后又具備自復位能力。雙曲面球型減隔震支座具有完備的減隔震功能、優異的抗震性能、良好的耐久性能，已用于成蘭鐵路、寶蘭鐵路等多個鐵路項目中。

液體粘滯阻尼器其功能主要是為結構提供附加剛度和阻尼，減小結構響應，產生的阻尼力與速度和溫度有關，安裝設置具有方向性，制作加工精度要求高。但其缺少自復位功能，要配合普通大噸位支座使用。液體粘滯阻尼器技術發展已較為成熟，滿足工程需要的各種不同參數的阻尼器在國內外的重點橋梁工程中發揮著重要作用，如烏錫黃河鐵路大橋、舟山西喉門大橋等工程[12]。

徐洪河特大橋(100+200+100)m連續梁-拱時程分析時雙曲面球型減隔震支座通過采用摩擦擺單元模擬，計算時考慮地震作用下活動支座滑動摩擦效應和雙曲面減隔震支座的非線性；粘滯阻尼器采用Midas有限元自帶的阻尼器單元進行模擬。兩者計算參數見表4。

表4 減隔震支座及阻尼器參數

針對本橋的減隔震措施比選制定了兩種方案:(1)設置雙曲面球型減隔震支座；(2)同時設置雙曲面球型減隔震支座與設置粘滯阻尼器。采用上述兩種方案分別對本橋進行抗震分析，兩方案縱向和橫向地震力作用下內力響應結果見表5和表6。

表5 罕遇地震作用下(縱向力)墩底內力響應對比

表6 罕遇地震作用下(橫向力)墩底內力響應對比

由以上分析可見，罕遇地震作用下，采用雙曲面減隔震支座減隔震效果顯著，固定墩剪力減隔震率達72.0%～85.4%，彎矩減隔震率達88.9%～91.1%，采用減隔震支座明顯減小了固定墩縱橋向和各墩橫橋向地震內力響應，為橋墩和基礎的優化設計提供了有利條件。但同時使用減隔震支座和粘滯阻尼器，與單獨使用減隔震支座方案相比，不論彎矩還是剪力的減震率并未有效改善。

表7提供了兩種減隔震方案在罕遇地震作用下支座位移量，設置阻尼器后支座位移量可以有效控制，但大跨度橋梁采用的阻尼器噸位過大，對阻尼器本身的安全性、可靠性提出更高的要求，并增加后期維修養護工作量及成本。結合本橋抗震設防標準——設計地震下檢算支座連接方式，本橋最終選擇的減震措施為采用雙曲面減隔震支座方案。需要注意的是采用雙曲面減隔震支座后，地震力作用下支座滑動位移會變大，設計同時設置了緩沖彈塑性擋塊等抗震構造措施來防止碰撞破壞、落梁等地震災害的發生[13]。

表7 罕遇地震作用下支座位移對比 mm

4.3 各水準下地震響應分析

按照本橋設定的抗震設防目標，以多遇地震下彈性設計，罕遇地震下的基本彈性設計為原則，對橋梁進行各水準作用下的地震響應分析。

多遇地震作用下水平極限承載力的取值與橋梁的抗震設計水準相關，綜合考慮基礎的設計經濟指標，兼顧雙曲面減隔震支座剪力梢的更換頻率，以及后期維修養護成本，設計采用水平極限承載力0.7倍的多遇地震力，并考慮結構重要性系數1.5。對多遇地震作用下分別采用反應譜法和時程分析法兩種計算方法分別計算結構內力響應，內力對比見表8。

表8 多遇地震作用下墩底內力

可見，時程分析與反應譜法的結果差異并不大，差值基本合理，場地地震波取值合理，僅有個別部位差異較大，這是因為時程分析地震波的選取相對具有一定的隨機性。運用反應譜分析法可以方便得出結構彈性范圍內的最大地震響應值；時程法計算具有針對性，可根據具體場地條件更能真實地反映結構實際受力狀態。因此，對大跨度連續梁-拱橋而言，多遇地震作用下的抗震分析可先通過反應譜法進行估算，再采用時程法進行驗算。

按照上述內力結果進行驗算，多遇地震作用下墩身最大鋼筋應力為184.16 MPa，混凝土最大應力為13.16 MPa；樁基礎鋼筋配筋率取為2.0%，樁基鋼筋最大應力為-173.4 MPa，樁基混凝土最大應力為12.4 MPa。結構處于彈性階段，強度各項指標滿足設計要求。

設計地震作用下，對雙曲面球型減隔震支座進行位移量分析，各墩順橋向與橫橋向位移均不超過28 cm，滿足制定的設防標準位移量要求。

罕遇地震作用下各墩順橋向和橫橋向內力見表9，罕遇地震作用下墩身鋼筋最大應力380.02 MPa，混凝土最大應力為11.23 MPa，樁基礎鋼筋配筋率為2.0%，樁基鋼筋最大應力為-335.5 MPa，樁基混凝土最大應力為19.8 MPa。強度各項指標滿足鋼筋及混凝土材料極限強度要求，符合本橋罕遇地震作用下抗震設防標準要求。

表9 罕遇地震作用下墩身內力響應

5 結束語

針對高烈度震區大跨連續梁拱組合結構固定墩設計困難的問題，對徐洪河特大橋制定了合理可行的設防標準，并對橋梁進行了動力特性分析和減隔震技術方案比選。得出以下結論:

(1)徐洪河特大橋(100+200+100)m連續梁拱組合橋橫向剛度較小，屬于強梁弱拱結構，主橋面外剛度小于面內剛度，制動墩設計是橋梁設計的重難點。

(2)考慮結構重要性并滿足“大震不倒”的抗震設防目標，采用多遇地震下彈性設計，罕遇地震下基本彈性設計，設計地震保證結構連接措施為結構在三水準作用下的抗震設防目標。

(3)對采用雙曲面球型減隔震支座、液體粘滯阻尼器+雙曲面球型減隔震支座組合兩種減隔震方案進行對比分析可知，采用雙曲面減隔震支座減震優勢明顯，阻尼器的設置可有效減小地震力作用下的梁體位移。綜合抗震設防標準及后期維修養護成本，最終采用設置雙曲面減隔震支座方案進行減震設計。