高地震烈度地區(qū)市政橋梁減隔震設(shè)計(jì)研究

【中圖分類號(hào)】 U442.5^Γ+Γ5

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】 A

0 引言

地震作為破壞性極強(qiáng)的自然災(zāi)害，其瞬間釋放的巨大能量嚴(yán)重威脅著人類社會(huì)的安全與發(fā)展。中國(guó)橫跨環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶兩大活躍構(gòu)造區(qū)，地質(zhì)活動(dòng)頻繁，被列為全球地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)最高的國(guó)家之一。這種特殊的地質(zhì)環(huán)境使得工程抗震問(wèn)題一直備受關(guān)注，特別是2008年汶川特大地震及2013年雅安蘆山地震發(fā)生后，高地震烈度地區(qū)市政工程的抗震安全問(wèn)題愈發(fā)受到社會(huì)各界關(guān)注。作為城市交通網(wǎng)絡(luò)中的重要樞紐，橋梁結(jié)構(gòu)一旦遭受地震破壞，不僅會(huì)造成交通動(dòng)脈中斷，影響抗災(zāi)救援，其修復(fù)過(guò)程也將面臨耗資巨大、周期漫長(zhǎng)的難題[1]

1 項(xiàng)目概況

西昌市是四川省涼山彝族自治州首府，地處安寧河谷地區(qū)，是攀西地區(qū)的政治、經(jīng)濟(jì)、文化和交通中心，同時(shí)也是四川地震烈度最高的地區(qū)之一。本文案例位于四川省西昌市高鐵新城，道路等級(jí)為城市主干路，道路設(shè)計(jì)寬度 50.0m ，設(shè)計(jì)車速 40km/h ，為跨越安寧河而架設(shè)橋梁。根據(jù)河道地形條件，橋梁結(jié)構(gòu)形式選用預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支小箱梁橋，孔跨布置為 3×（4×30） m。

橋位處場(chǎng)地地貌單元屬于安寧河一級(jí)階地，相對(duì)高差約13.5m 。根據(jù)地勘鉆探結(jié)果，場(chǎng)地地層主要由人工填土、雜填土、素填土、耕土、粉土、中砂、卵石組成，可不考慮液化影響。橋址區(qū)工程場(chǎng)地類別為Ⅱ類場(chǎng)地，地震基本烈度達(dá)到八度，地震動(dòng)峰值加速度 0.3g ，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期 0.45s 。

2 橋梁減隔震設(shè)計(jì)

根據(jù)CJJ166-2011《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，本項(xiàng)目橋梁抗震設(shè)防分類為丙類，在兩級(jí)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)下需滿足E1地震作用下結(jié)構(gòu)損傷總體反應(yīng)在彈性范圍，基本無(wú)損傷，震后可立即使用；在E2地震作用下橋梁不產(chǎn)生嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損傷，震后經(jīng)臨時(shí)加固可供緊急救援車輛使用。

2.1橋梁結(jié)構(gòu)抗震體系選擇

CJJ166-2011《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》將橋梁結(jié)構(gòu)抗震體系分為兩種類型。傳統(tǒng)延性抗震理念設(shè)計(jì)的橋梁，結(jié)構(gòu)抗震體系為類型I，需要結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下出現(xiàn)局部破壞，形成塑性鉸進(jìn)行耗能，并且延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期，降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)“中震可修、大震不倒”的設(shè)計(jì)自標(biāo)。但延性抗震需要犧牲部分構(gòu)件（主要是橋墩）的抗彎承載力，強(qiáng)震后需要進(jìn)行塑性鉸區(qū)的修復(fù)工作。且由于橋墩墩高不一，需要對(duì)不同高度的橋墩采用不同的配筋方式才能達(dá)到能力保護(hù)構(gòu)件不發(fā)生破壞，對(duì)施工要求較高，不利于提高施工效率。故現(xiàn)在對(duì)于高烈度地區(qū)的橋梁，結(jié)構(gòu)抗震體系越來(lái)越傾向于采用類型Ⅱ，即減隔震設(shè)計(jì)。

項(xiàng)目處于高烈度區(qū)，若用延性抗震策略，在中、強(qiáng)震作用下將出現(xiàn)較大規(guī)模的墩柱破壞，且能力保護(hù)構(gòu)件的思想也較難得到貫徹，據(jù)此本項(xiàng)目橋梁最終選用減隔震設(shè)計(jì)體系。對(duì)于采用減隔震設(shè)計(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)，滯回耗能變形僅集中在減隔震裝置上，全橋結(jié)構(gòu)均在彈性范圍內(nèi)工作，僅需進(jìn)行E2地震下減隔震裝置的變形計(jì)算，以及橋墩、樁基的強(qiáng)度驗(yàn)算[2]

2.2減隔震支座特性

減隔震設(shè)計(jì)體系的關(guān)鍵在于選取合適的減隔震裝置，橋梁工程中常用的減隔震裝置有鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座、滑動(dòng)摩擦型減隔震支座及雙曲面球型減隔震支座等。高阻尼橡膠隔震支座在地震發(fā)生時(shí)能通過(guò)自身的剪切變形使橋梁上、下部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)隔離，同時(shí)自身具有較高的阻尼，能有效地吸收地震能量、減輕結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)[3]，因此，本項(xiàng)目采用高阻尼隔震橡膠支座作為減隔震裝置。

本項(xiàng)目選取的高阻尼橡膠隔震支座型號(hào)為HDR（I）型和LNR水平力分散支座（滑動(dòng)型）。當(dāng)結(jié)構(gòu)抗震分析采用非線性動(dòng)力時(shí)程分析方法時(shí)，其力學(xué)特性可按等效雙線性恢復(fù)力模型進(jìn)行模擬[3]。配套使用的LNR滑動(dòng)型水平力分散型支座同普通四氟滑板式橡膠支座類似，支座位移通過(guò)頂面設(shè)置的聚四氟乙烯滑板與不銹鋼板組成的滑移摩擦副實(shí)現(xiàn)，通過(guò)滑移摩擦副的滑動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)水平力分散功能。HDR（I）型支座及LNR滑動(dòng)型支座的等效本構(gòu)模型如圖1所示。

圖1高阻尼橡膠隔震等效本構(gòu)模型

表1墩柱、樁基控制截面抗震驗(yàn)算

3橋梁抗震性能分析

橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能分析，需要根據(jù)實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)建立動(dòng)力特征分析模型，并選用適當(dāng)?shù)目拐鸱治鲇?jì)算方法，對(duì)結(jié)構(gòu)地震作用下的受力及變形特性進(jìn)行計(jì)算，以確定結(jié)構(gòu)抗震性能是否滿足抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3.1非線性時(shí)程分析模型

本項(xiàng)目采用了非線性減隔震支座，為準(zhǔn)確模擬減隔震支座在地震作用下的力學(xué)行為，橋梁抗震計(jì)算分析方法采用非線性動(dòng)力時(shí)程分析法，非線性動(dòng)力時(shí)程分析所需要的地震加速度時(shí)程以設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜為目標(biāo)擬合生成。結(jié)合河岸地形條件，選取第二聯(lián)橋梁為抗震最不利結(jié)構(gòu)，采用有限元程序MidasCivil建立橋梁結(jié)構(gòu)有限元空間非線性動(dòng)力分析模型，模型中高阻尼橡膠隔震支座采用雙線性恢復(fù)力模型進(jìn)行模擬（圖2），樁身周圍的地基土對(duì)樁基的約束作用由沿樁身的土彈簧模擬，土彈簧剛度由 m 法計(jì)算取值。

圖2有限元空間非線性動(dòng)力分析模型

3.2結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算

對(duì)歷次地震震害的分析表明，橋梁結(jié)構(gòu)的震害主要集中于下部結(jié)構(gòu)和支座等連接性構(gòu)件，而橋梁上部結(jié)構(gòu)本身的震害較少。因此，橋梁結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算的關(guān)注對(duì)象為橋梁下部結(jié)構(gòu)及減隔震支座。根據(jù)JTG3362-2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中附錄F對(duì)墩柱、樁基控制截面進(jìn)行偏心受壓構(gòu)件正截面抗壓承載力驗(yàn)算，以受力更不利的橋梁第二聯(lián)結(jié)構(gòu)對(duì)典型對(duì)象，驗(yàn)算結(jié)果如表1所示。

安裝在橋面連續(xù)處橋墩蓋梁上的HDR（I）型高阻尼隔震橡膠支座的水平位移由橡膠層的剪切變形提供，其最大水平位移受到橡膠剪切應(yīng)變的限制；而LNR滑動(dòng)型水平力分散支座的水平位移由不銹鋼板和四氟滑板之間的相對(duì)滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)，可認(rèn)為其水平位移不受到支座本身力學(xué)性能的限制。因此，對(duì)于在地震作用下的水平位移而言，只需要驗(yàn)算HDR（I）型高阻尼隔震橡膠支座的水平位移。經(jīng)驗(yàn)算，最大剪切變形 196.9mm （容許剪切變形值 20mm ），HDR（I）型高阻尼隔震橡膠支座的水平位移小于其水平位移容許值；根據(jù)剪切力驗(yàn)算，計(jì)算剪切力 258kN ，水平屈服力 81kN ，支座的剪切力超過(guò)了其水平屈服力，表明在E2地震作用下，支座已經(jīng)進(jìn)入屈服階段，發(fā)揮了其滯回耗能的特性。

4抗震措施設(shè)計(jì)

根據(jù)CJJ166-2011《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，本項(xiàng)目橋梁抗震措施應(yīng)符合本地區(qū)地震基本烈度提高一度的要求。考慮到在超預(yù)期地震作用的極端情況下，高阻尼橡膠支座的約束有可能失效，此時(shí)還需要額外的抗震措施來(lái)保證上部結(jié)構(gòu)不致落梁[5]。本項(xiàng)目采用了多重抗震構(gòu)造措施來(lái)防止落梁和碰撞：

（1）加大蓋梁頂面順橋向尺寸，增大了梁體的支承寬度，滿足梁端至墩、臺(tái)帽邊緣或蓋梁邊緣的距離 a≥40+0.5L ，當(dāng)支座失效、梁體從支座上掉落后仍然能支承在蓋梁上，不致出現(xiàn)梁體掉落的現(xiàn)象。

（2）通過(guò)不同方向和維度的擋塊，限制地震作用下上部結(jié)構(gòu)的位移。梁底設(shè)置橫向擋塊約束梁底整體橫向位移；在橋墩蓋梁和橋臺(tái)臺(tái)帽上設(shè)置縱向型鋼擋塊，以防止縱向落梁；在橋梁墩臺(tái)的蓋梁、臺(tái)帽和梁體之間設(shè)置鋼板限位裝置，限制梁體縱向位移的同時(shí)也能限制其豎向位移；橋臺(tái)處的防震擋塊尺寸加大，以提高其在強(qiáng)震作用下的抗撞擊能力。

（3）通過(guò)梁與梁之間、梁與墩臺(tái)之間設(shè)置的彈性墊塊緩沖設(shè)施，在梁體或墩臺(tái)擋塊發(fā)生碰撞時(shí)起到緩沖作用，降低碰撞力，減小碰撞對(duì)梁體、擋塊的破壞。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以西昌高鐵新城某市政橋梁工程為研究對(duì)象，針對(duì)高地震烈度地區(qū)市政橋梁建設(shè)的抗震體系選擇、減隔震裝置選擇、抗震性能分析及抗震措施設(shè)計(jì)進(jìn)行了全流程探究，為同類工程設(shè)計(jì)提供了實(shí)踐參考。本項(xiàng)目采用的“減隔震裝置 + 多重限位”組合抗震體系能夠通過(guò)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期并吸收地震能量，有效降低地震響應(yīng)峰值，提升橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下的防災(zāi)減災(zāi)能力，保障震后交通網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性和城市基礎(chǔ)設(shè)施的抗災(zāi)韌性。

參考文獻(xiàn)

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