高烈度區(qū)風(fēng)情廊橋抗震性能及減隔震設(shè)計(jì)分析

廖宸鋒　龍波

摘要：文章以東慕大橋?yàn)楣こ瘫尘?，分析廊橋與常規(guī)橋梁在動(dòng)力特性和地震響應(yīng)下的差異，并對(duì)該類橋梁的減隔震設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，提出了減隔震設(shè)計(jì)的思路。

關(guān)鍵詞：廊橋;地震作用;減隔震設(shè)計(jì)

中國(guó)分類號(hào)：U442.5+5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

風(fēng)雨橋，又稱廊橋，是少數(shù)民族地區(qū)獨(dú)有的一種橋梁建筑，其在廣西也較為流行。

廊橋?qū)儆谝环N橋梁與建筑結(jié)合的組合結(jié)構(gòu)，由于橋梁與建筑本身就存在不同的受力特性，當(dāng)兩者結(jié)合在一起后，結(jié)構(gòu)的協(xié)同受力就顯得尤為復(fù)雜。目前，對(duì)此類結(jié)構(gòu)的抗震性能研究及工程案例也相對(duì)較少，抗震規(guī)范也沒有針對(duì)這種組合結(jié)構(gòu)的相應(yīng)條款，因此對(duì)此類結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力性能及隔震設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究，具有重要的意義。

本文以地處7度區(qū)的廣西百色市田陽東慕大橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用有限元的方法，分析其在地震作用下的?dòng)力特性及響應(yīng)，以期為今后類似工程抗震設(shè)計(jì)提供有益借鑒和參考。

1 項(xiàng)目概況

田陽東慕大橋橋長(zhǎng)289.02 m，其中主橋長(zhǎng)140 m，跨徑布置為4×35 m，采用具有廣西壯族特色的風(fēng)情廊橋結(jié)構(gòu)形式。為減少建筑與橋梁之間的相互影響，東慕大橋主橋在設(shè)計(jì)上將橫橋向分為三幅橋，三幅橋之間設(shè)置一定的縫隙，以滿足變形的需求。

主橋橫橋向中間為車行橋，通行機(jī)動(dòng)車輛，橋?qū)?7 m，其中上部結(jié)構(gòu)采用35 m先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，2#、6#交界墩采用整體式的薄壁墩及承臺(tái)基礎(chǔ)，3#～5#中間墩采用獨(dú)立式的蓋梁柱式墩及承臺(tái)基礎(chǔ)。

主橋橫橋向兩側(cè)為非機(jī)動(dòng)車橋，通行行人與非機(jī)動(dòng)車，橋?qū)?.5 m，并在其上設(shè)置廊建筑，廊建筑總體為兩層，局部加高為三層，左右兩側(cè)非機(jī)動(dòng)車?yán)葮驒M向通過廊結(jié)構(gòu)聯(lián)成整體，并同時(shí)滿足中間車行橋通行的凈空要求。由于上部建筑體量較大，為進(jìn)一步改善上部建筑對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)受力的影響，上部建筑采用鋼框架的結(jié)構(gòu)形式，其中為加強(qiáng)整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的剛度，第一層建筑采用鋼桁架的結(jié)構(gòu)形式，建筑結(jié)構(gòu)的立柱直接作用于下部橋梁的墩頂上，形成一個(gè)建筑與橋梁的組合結(jié)構(gòu)。廊橋2#、6#交界墩為與車行橋共用的整體式的薄壁墩及承臺(tái)基礎(chǔ)，如下頁圖1所示;3#～5#中間墩采用獨(dú)立式的薄壁墩及承臺(tái)基礎(chǔ)，如下頁圖2所示。

2 大橋抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)及目標(biāo)

百色市是廣西區(qū)內(nèi)的地震高烈度區(qū)，根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015），工程項(xiàng)目所在區(qū)域地震基本烈度為7度，地震動(dòng)峰值加速度為0.10 g，場(chǎng)地特征周期為0.35 s。根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 166-2011），本項(xiàng)目抗震設(shè)防類別為丁類，采用兩級(jí)抗震設(shè)防的設(shè)計(jì)方法：

（1）E1地震作用：結(jié)構(gòu)總體反應(yīng)在彈性范圍，基本無損傷，震后可立即使用。

（2）E2地震作用：結(jié)構(gòu)不致倒塌。

大橋采用B類抗震設(shè)計(jì)方法，即應(yīng)進(jìn)行E1地震作用下的抗震分析和抗震驗(yàn)算，并滿足相關(guān)構(gòu)造和抗震措施的要求。

3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性對(duì)比分析

大橋采用Midas Civil軟件建立三維有限元空間分析模型，如圖3所示。為了準(zhǔn)確模擬下部土層對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，采用土彈簧模擬土層對(duì)基礎(chǔ)的側(cè)向約束。動(dòng)力分析采用里茲向量法進(jìn)行分析，并對(duì)比廊橋與車行橋的動(dòng)力反應(yīng)。

根據(jù)分析結(jié)果，廊橋與車行橋的動(dòng)力特性對(duì)比如表1和表2所示。

對(duì)比廊橋與車行橋的動(dòng)力分析結(jié)果可知，廊橋由于有上部建筑的相互作用，其動(dòng)力特性與純粹的車行橋橋梁結(jié)構(gòu)有較大的差別：（1）廊橋較單獨(dú)車行橋的頻率要低（約為1/2.13），自振周期較單獨(dú)車行橋的要長(zhǎng)（約為2.13倍），說明廊橋整體結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)較小，結(jié)構(gòu)更柔;（2）廊橋與車行橋第一階振型均為下構(gòu)橋墩的縱彎，但又有所不同，其中廊橋?yàn)橹虚g4#固定墩的縱彎，車行橋?yàn)橹虚g3#、4#活動(dòng)墩的縱彎，說明車行橋較廊橋整體協(xié)調(diào)受力性能更好，且廊橋位移變化較車行橋大得多，說明上部建筑結(jié)構(gòu)體量較大的恒載對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)受力更為不利;（3）廊橋的耦合振動(dòng)出現(xiàn)在第6階，說明地震時(shí)廊橋耦合震顫的可能性大大降低。

4 地震響應(yīng)對(duì)比分析

根據(jù)前述模型，本節(jié)采用反應(yīng)譜法，考慮水平方向的地震作用，并采用SRSS法組合，重點(diǎn)對(duì)比廊橋與車行橋的下部橋墩在地震作用下的受力情況。

通過分析，廊橋與車行橋的受力結(jié)果如表3～4所示（限于篇幅，本文僅給出廊橋與車行橋在地震荷載作用下的最不利響應(yīng)）。

由表3的分析結(jié)果可知，由于4#墩為廊橋的固定墩，因此4#墩在E1縱向地震作用下的彎矩較其他橋墩大;同時(shí)由表3與表4的結(jié)果對(duì)比可知，廊橋橋墩最不利彎矩比車行橋的大很多，說明橋梁的上部荷載的大小對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)影響較大。

5 廊橋的減隔震設(shè)計(jì)分析

由前述動(dòng)力特性及地震響應(yīng)分析可知，廊橋的下部結(jié)構(gòu)受力較單獨(dú)的車行橋更為復(fù)雜，在地震作用下其響應(yīng)也更大，使得上部建筑鋼結(jié)構(gòu)以及對(duì)應(yīng)的橋墩等下構(gòu)設(shè)計(jì)都很困難。為進(jìn)一步改善橋墩的受力，降低其對(duì)地震的響應(yīng)，進(jìn)行減隔震設(shè)計(jì)是很有必要的。

根據(jù)大橋靜力結(jié)算結(jié)果并結(jié)合本橋的抗震等級(jí)要求，文中采用兩種支座方案進(jìn)行對(duì)比分析，方案一為采用常規(guī)的盆式支座，方案二為在交界墩采用水平力分散支座（如圖4所示）。

經(jīng)過分析，其結(jié)果對(duì)比如表5所示（限于篇幅，本文只給出廊橋下構(gòu)中控制設(shè)計(jì)的中間4#固定墩的計(jì)算結(jié)果）。

由表5可知，在交界墩處采用水平力分散支座設(shè)計(jì)后，4#固定墩的縱向彎矩由19 784.5 kN·m降到11 321.3 kN·m，降幅為42.8%，橫向彎矩由17 088.2 kN·m降到16 381.5 kN·m，降幅為4.1%;整體結(jié)構(gòu)的自振頻率也由0.191 Hz提高到0.284 Hz。

6 結(jié)語

本文通過對(duì)百色田陽東慕大橋的分析研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）廊橋由于上部建筑與橋梁的相互作用，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，上部建筑恒載對(duì)下部橋墩的受力影響較大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮橋墩的選型及設(shè)計(jì)，并盡量減少上部建筑的層數(shù)，以減少整體結(jié)構(gòu)的恒載。

（2）在廊橋設(shè)計(jì)中，上下部結(jié)構(gòu)的連接采用減隔震設(shè)計(jì)，可有效改善其受力。在實(shí)際設(shè)計(jì)中可采用增加縱向水平約束的方式來減小固定墩的地震響應(yīng)，降低固定墩的設(shè)計(jì)難度和提高結(jié)構(gòu)的安全。

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