八度地震區(qū)鐵路大跨度連續(xù)梁橋減隔震設(shè)計

陳杰

中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司，上海 200070

1 工程概況

宿淮鐵路跨越徐洪河Ⅲ級航道采用（66.5+108+108+66.5）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁（圖1），線路與河道交角64°，航道凈寬70 m，凈高7 m。主橋連續(xù)梁聯(lián)長348 m，主墩采用圓形橋墩以滿足通航論證及防洪評價要求。

圖1 跨徐洪河主橋立面（單位：m）

連續(xù)梁跨中及邊跨直線段梁高4.0 m，中支點(diǎn)梁高7.6 m，箱梁頂寬8.0 m，底寬6.0 m，在中支座4.0 m范圍內(nèi)加寬至7.8 m。梁體為變高度、變截面單箱單室結(jié)構(gòu)，見圖2。箱梁采用縱向和豎向預(yù)應(yīng)力體系。

圖2 連續(xù)梁橫斷面（單位：cm）

61#、62#、65#墩采用圓端形實(shí)體橋墩，63#、64#墩采用圓形實(shí)體橋墩，61#—65#的墩高分別為11.0、6.5、15.0、14.0、10.0 m；連續(xù)梁兩側(cè)相鄰聯(lián)跨徑分別為40 m簡支箱梁和32 m簡支T梁。全橋基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

2 減隔震設(shè)計

該橋縱向和橫向的地震反應(yīng)極為復(fù)雜，抗震設(shè)計是墩身及樁基礎(chǔ)設(shè)計的關(guān)鍵，需采用兩個方向的減隔震體系以滿足抗震安全的要求。

2.1 地震動參數(shù)

本橋場地抗震設(shè)防烈度為八度，場地土屬中軟～中硬土，場地類別劃分為Ⅲ類場地，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45 s［1］。多遇地震、設(shè)計地震、罕遇地震作用下水平地震加速度分別為0.07g、0.20g、0.38g。根據(jù)規(guī)范設(shè)計譜生成罕遇地震人工波，見圖3?？芍龡l人工波時程曲線加速度峰值分別為395.4、375.2、354.1 cm/s2。

圖3 罕遇地震作用下三條人工波時程曲線

2.2 減隔震原理

雙曲面球型減隔震支座（圖4）集合了摩擦擺支座和球型鋼支座的優(yōu)點(diǎn)，利用鐘擺機(jī)理延長橋梁的自振周期［2-4］。當(dāng)?shù)卣鹚搅Τ^設(shè)定值時，限位裝置抗剪銷及安全螺釘剪斷，球面摩擦副就可自由滑動，通過摩擦阻力逐漸消耗地震能量。雙曲面球型減隔震支座具有良好的大位移能力、自復(fù)位功能和穩(wěn)定性［5-7］。

圖4 雙曲面球型減隔震支座構(gòu)造

黏滯阻尼器通常由缸體、活塞、黏滯性流體、活塞桿等部件組成，在結(jié)構(gòu)變形作用下活塞桿推動活塞與缸體之間發(fā)生相對運(yùn)動，活塞的往復(fù)運(yùn)動帶動內(nèi)部黏滯性流體運(yùn)動，分子相對運(yùn)動和內(nèi)部流體與缸體表面產(chǎn)生的摩擦力轉(zhuǎn)換成熱能，即將地震能量轉(zhuǎn)化為分子熱能，產(chǎn)生阻尼效果，達(dá)到耗能目的。黏滯性阻尼器的阻尼力F與最大反應(yīng)速度V的關(guān)系為F=CVα。其中：C為阻尼系數(shù)；α為速度指數(shù)，取0.1～2.0［8］。

2.3 減隔震支座及阻尼器參數(shù)選擇

在罕遇地震作用下，分別對支座的曲率半徑R、摩擦因數(shù)μ、阻尼器的阻尼系數(shù)C和速度指數(shù)α進(jìn)行參數(shù)敏感性分析?？紤]墩底彎矩、支座和阻尼器位移應(yīng)控制在設(shè)計容許范圍內(nèi)，選擇如下減隔震裝置參數(shù)：61#、65#墩采用R=4 m，μ=0.05的雙曲面球型減隔震支座，62#—64#墩采用R=5 m，μ=0.05的雙曲面球型減隔震支座；62#—64#墩縱向采用C=2500 kN/（m·s-1）0.7的阻尼器，地震行程25 cm。減隔震裝置布置見圖5，雙曲面球型減隔震支座轉(zhuǎn)角為0.02 rad，技術(shù)參數(shù)見表1。

圖5 墩頂減隔震裝置布置平面示意（單位：m）

表1 雙曲面球型減隔震支座技術(shù)參數(shù)

2.4 減隔震分析

主橋選用雙曲面球型減隔震支座與黏滯阻尼器并聯(lián)的減隔震體系作為減隔震方案。建立空間動力有限元分析模型，多遇地震作用下采用反應(yīng)譜法對全橋結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)進(jìn)行分析，設(shè)計地震和罕遇地震作用下采用非線性動力時程曲線進(jìn)行減隔震反應(yīng)分析。罕遇地震作用下傳統(tǒng)抗震方案與減隔震方案設(shè)計對比見表2?？芍?，與傳統(tǒng)抗震方案相比，減隔震方案中全橋樁基共減少直徑1.0 m的樁8根、直徑1.5 m的樁22根，且樁基配筋均減小1倍以上；63#、64#主墩截面尺寸減小。綜合考慮，減隔震方案更經(jīng)濟(jì)。減隔震方案中橋墩剛度見表3。

表2 傳統(tǒng)抗震方案與減隔震方案設(shè)計對比

表3 減隔震方案中橋墩剛度 kN·cm-1

罕遇地震作用下有無減隔震設(shè)計的橋墩墩底剪力及彎矩分別見表4和表5。采用減隔震設(shè)計后，罕遇地震作用下橫橋向輸入地震波橋墩墩底剪力和彎矩減小比例見圖6。由表4、表5、圖6可知：63#墩縱橋向剪力和彎矩分別減小76%、81%以上；各橋墩橫橋向剪力減小56%以上，繞縱橋向彎矩減小60%以上。說明采用減隔震體系后橋墩受力明顯改善。

表4 橋墩墩底剪力（罕遇地震） kN

表5 橋墩墩底彎矩（罕遇地震） kN·m

圖6 橋墩墩底剪力和彎矩減小比例

罕遇地震作用下阻尼力及支座位移見表6?？芍鹤枘崃拔灰凭谧枘崞骱椭ёa(chǎn)應(yīng)用的合理范圍；最大縱橋向位移小于61#、65#邊墩頂梁縫0.3 m，可以滿足梁部位移需求；最大橫橋向位移不大于支座設(shè)計地震位移0.25 m。

表6 罕遇地震作用下阻尼力及支座位移

2.5 雙曲面球型減隔震支座水平極限荷載選取

水平極限荷載取值原則：正常使用狀態(tài)下確保支座不剪斷且有一定的安全儲備；在地震作用下以隔震裝置抗震為主，多遇地震作用下支座抗剪銷不破壞，設(shè)計地震及罕遇地震作用下支座抗剪銷剪斷、減震支座及縱向阻尼器發(fā)揮減隔震作用；考慮材料（抗剪銷）發(fā)揮作用在一定的區(qū)間，剪斷力取值分上下限值。

水平極限荷載上限值取值原則：確保減震支座發(fā)揮作用。該值是水平荷載作用下抗剪銷剪斷的臨界值，水平極限荷載超過上限值時抗剪銷必須剪斷，抗剪銷的剪斷力應(yīng)接近上限值，且不超過上限值。

水平極限荷載下限值取值原則：確保支座在常規(guī)狀態(tài)、多遇地震下安全使用。該值是水平荷載作用下抗剪銷不發(fā)生剪斷的保證值，抗剪銷的剪斷力必須大于下限值。

多遇地震作用和正常使用狀態(tài)下減隔震支座的水平極限荷載安全系數(shù)Q1和Q2分別為

式中：K為地震計算分析樁基或墩身能力驗算的安全系數(shù)；N為減隔震支座水平極限荷載；F為多遇地震作用下固定支座剪力；F正為正常使用狀態(tài)下列車制動力、牽引力等水平荷載的最大值。

結(jié)合建立的結(jié)構(gòu)動力特性分析模型，采用反應(yīng)譜法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震作用下地震響應(yīng)分析計算，得到多遇地震作用下固定支座剪力和樁基彎矩安全系數(shù)，分別見表7和表8。

表7 多遇地震作用下固定支座剪力 kN

表8 多遇地震作用下樁基彎矩安全系數(shù)

JTG/T B02?01—2008《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》規(guī)定：采用減隔震設(shè)計的橋梁，在地震作用下應(yīng)以減隔震裝置抗震為主；采用減隔震設(shè)計的橋梁應(yīng)滿足正常使用條件的要求。結(jié)合雙曲面球型減隔震支座生產(chǎn)時在一定區(qū)間內(nèi)材料才發(fā)揮作用，建議以多遇地震狀態(tài)作為設(shè)防地震力，Q1宜在1.5～2.0，數(shù)值太大不利于發(fā)揮減隔震的優(yōu)勢，數(shù)值太小難以滿足多遇地震狀態(tài)下支座的使用；Q2宜大于2.0，保證正常使用狀態(tài)下支座的使用。結(jié)合Q1、Q2及支座生產(chǎn)情況可得減隔震支座水平極限荷載，參見表1。

3 結(jié)論

1）徐洪河特大橋主橋連續(xù)梁選用雙曲面球型減隔震支座與黏滯阻尼器并聯(lián)的減隔震體系，縱橋向和橫橋向的減震效果明顯。

2）雙曲面球型減隔震支座參數(shù)設(shè)計應(yīng)保證正常使用，多遇地震作用下支座抗剪銷不破壞，罕遇地震作用下抗剪銷剪斷發(fā)揮減隔震作用。

3）多遇地震作用下雙曲面球型減隔震支座的水平極限荷載安全系數(shù)宜在1.5～2.0，在正常使用狀態(tài)下減隔震支座的水平極限荷載安全系數(shù)宜大于2.0。