□文/程永歡
近年來(lái),隨著交通運(yùn)輸壓力日益增大,為緩解施工期間對(duì)周圍交通及周邊居民生活環(huán)境的干擾,縮短施工時(shí)間,快速、綠色施工成為城市橋梁建設(shè)面臨的迫切需求,全預(yù)制拼裝橋梁施工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并在國(guó)內(nèi)迅速推廣。目前上海、長(zhǎng)沙、成都、紹興、長(zhǎng)春等地都在大量采用全預(yù)制拼裝橋梁施工技術(shù)。經(jīng)過長(zhǎng)期的發(fā)展,橋梁上部結(jié)構(gòu)的裝配化設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)非常成熟,全預(yù)制拼裝橋梁需要解決的是下部結(jié)構(gòu)的預(yù)制及連接問題,而下部結(jié)構(gòu)抗震性能的研究是關(guān)鍵問題之一。
中新天津生態(tài)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(yù)制拼裝技術(shù)設(shè)計(jì)施工的橋梁。工程位于抗震烈度8度區(qū),具有高地震烈度、濱海環(huán)境、軟土地基等特點(diǎn),對(duì)橋梁抗震設(shè)計(jì)較為不利,因此對(duì)其進(jìn)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(lián)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)分析并進(jìn)行減隔震設(shè)計(jì)。
中新天津生態(tài)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(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段采用20 m先簡(jiǎn)支后橋面連續(xù)小箱梁,跨線橋部分采用連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu);下部結(jié)構(gòu)主要采用獨(dú)柱接蓋梁柱式墩和設(shè)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(chǔ)。橋墩采用全預(yù)制拼裝工藝進(jìn)行施工,立柱與蓋梁和承臺(tái)之間采用灌漿套筒進(jìn)行連接。
根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告,擬建場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為8度,地震動(dòng)峰值加速度為0.20g,設(shè)計(jì)地震分組為第二組。擬建場(chǎng)地為Ⅳ類建筑場(chǎng)地,地基土類型屬軟弱土。橋梁抗震設(shè)防類別為丙類,E1地震作用下抗震重要性系數(shù)取0.46,E2地震作用下重要性修正系數(shù)取2.0;抗震設(shè)計(jì)方法為A類;抗震措施按照9度設(shè)防。
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?jiǎn)卧M(jìn)行模擬;橋面鋪裝、護(hù)欄、橫隔板等荷載以梁?jiǎn)卧奢d的形式施加在主梁?jiǎn)卧喜⒑奢d轉(zhuǎn)化為質(zhì)量,以考慮其對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)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(dòng)力計(jì)算模型
支座的模擬分為兩個(gè)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(yùn)用反應(yīng)譜方法進(jìn)行試算;第二階段根據(jù)試算結(jié)果采用減隔震支座進(jìn)行減隔震設(shè)計(jì),采用非線性時(shí)程分析方法進(jìn)行地震響應(yīng)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(jié)合,既實(shí)現(xiàn)了常規(guī)支座承載、轉(zhuǎn)動(dòng)和滑動(dòng)的功能,同時(shí)在地震時(shí)又可以利用彈塑性鋼阻尼器耗散地震能量,達(dá)到減隔震的效果,避免結(jié)構(gòu)發(fā)生地震破壞。彈塑性鋼阻尼支座具有外型美觀、耗能能力強(qiáng)、耐久性好、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn),在橋梁減隔震設(shè)計(jì)中應(yīng)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(jiǎn)化為雙線性恢復(fù)力模型和雙線性理想彈塑性恢復(fù)力模型。見圖3和圖4。
圖3 彈塑性鋼阻尼器雙線性恢復(fù)力模型
圖4 支座摩擦力雙線性理想彈塑性恢復(fù)力模型
根據(jù)文獻(xiàn)[1]的相關(guān)規(guī)定,結(jié)合本工程的場(chǎng)地特點(diǎn)確定本橋水平方向設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜,見圖5。
圖5 E1及E2水準(zhǔn)下水平向設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜
根據(jù)試算結(jié)果,結(jié)構(gòu)在E1狀態(tài)下就將進(jìn)入彈塑性狀態(tài),需要進(jìn)行減隔震設(shè)計(jì)。故根據(jù)文獻(xiàn)[1~2]要求,依據(jù)E1、E2水平設(shè)計(jì)反應(yīng)譜分別生成三條人工時(shí)程波進(jìn)行非線性時(shí)程分析。見圖6和圖7。
圖6 E1水準(zhǔn)下三條人工時(shí)程波
圖7 E2水準(zhǔn)下三條人工時(shí)程波
曲線梁橋由于結(jié)構(gòu)軸線隨著道路線性不斷變化,其動(dòng)力特性相比規(guī)則直線橋梁也有一定差異,地震響應(yīng)最不利方向,不一定就是全局坐標(biāo)系的縱向或者橫向。對(duì)于曲線橋梁的地震輸入方向,應(yīng)按照計(jì)算聯(lián)逐跨的中心連線方向分別縱橫向輸入并取包絡(luò)值,以此計(jì)算曲線橋梁的地震最大響應(yīng)[1]。
橋梁動(dòng)力特性分析是研究橋梁振動(dòng)問題的基礎(chǔ),為計(jì)算地震作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng),必須先進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)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(shù)在計(jì)算方向獲得90%以上的有效質(zhì)量[1~2],經(jīng)試算取前100 階振型。表1 給出結(jié)構(gòu)的前5階周期以及振型描述。
表1 橋梁結(jié)構(gòu)周期以及振型描述
采用E1和E2兩種概率水平、阻尼比為5%的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜對(duì)該橋進(jìn)行抗震性能分析。E1水準(zhǔn)地震首先采用彈性反應(yīng)譜法計(jì)算,若支座水平承載力不滿足要求,再采用設(shè)計(jì)反應(yīng)譜生成的人工時(shí)程波進(jìn)行非線性時(shí)程分析;E2水準(zhǔn)下由于支座進(jìn)入非線性狀態(tài),直接采用設(shè)計(jì)反應(yīng)譜生成的人工時(shí)程波進(jìn)行非線性時(shí)程分析。
3.2.1 反應(yīng)譜分析
選擇P7~P10(連續(xù)鋼箱梁)和P12~P14(小箱梁)兩聯(lián)代表性的結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)進(jìn)行E1地震作用下的地震響應(yīng)分析。見表2。
表2 E1水準(zhǔn)下支座地震響應(yīng)
由表中2可知,固定墩P9、P13墩支座在E1水準(zhǔn)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(zhǔn)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(jì)算聯(lián)在E1水準(zhǔn)下已經(jīng)進(jìn)入彈塑性狀態(tài),需進(jìn)行非線性時(shí)程分析。
3.2.2 非線性時(shí)程分析
根據(jù)E1、E2水準(zhǔn)下反應(yīng)譜生成的地震波,進(jìn)行非線性時(shí)程分析計(jì)算,對(duì)支座位移、立柱及樁基承載力進(jìn)行驗(yàn)算。見圖8-圖11。
圖8 支座位移驗(yàn)算
圖9 立柱控制截面承載力驗(yàn)算(縱向)
圖10 立柱控制截面承載力驗(yàn)算(橫向)
圖11 樁基控制截面承載力驗(yàn)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(shè)計(jì)容許位移之內(nèi),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(shè)置了彈塑性限位裝置,當(dāng)支座位移接近容許值時(shí),限位裝置也將發(fā)揮協(xié)同作用,主梁基本不會(huì)產(chǎn)生落梁風(fēng)險(xiǎn),因此可以認(rèn)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(qiáng)度,均在彈性工作范圍。而P7 墩彎矩略微超過初次屈服強(qiáng)度,小于等效屈服強(qiáng)度,此時(shí)截面可能發(fā)生輕微損傷,結(jié)構(gòu)整體反應(yīng)基本還在彈性范圍,可以認(rèn)為滿足抗震性能要求。
由圖11 可以看出,在E1水準(zhǔn)地震作用下,樁基均處于受壓狀態(tài),彎矩均小于初次屈服強(qiáng)度,樁基構(gòu)件受力均在彈性受力范圍,滿足規(guī)范要求;在E2水準(zhǔn)地震作用下,大部分橋墩的樁基會(huì)出現(xiàn)拉力,但拉力不大,彎矩均小于等效屈服強(qiáng)度,樁基構(gòu)件受力均在彈性受力范圍,滿足規(guī)范要求。
綜合以上分析可以看出,本工程采用常規(guī)球形鋼支座,橋梁抗震性能無(wú)法滿足規(guī)范要求。采用減隔震設(shè)計(jì)后,E1地震作用下,支座剪力銷就會(huì)剪斷,進(jìn)入彈塑性耗能工作狀態(tài)。但基礎(chǔ)、橋墩等還處于彈性狀態(tài),不會(huì)發(fā)生破壞,滿足結(jié)構(gòu)震后立即使用的抗震性能目標(biāo)要求。E2地震作用下,支座位移滿足容許值要求;墩柱,基礎(chǔ)等處于彈性狀態(tài)基本無(wú)損傷,滿足該水準(zhǔn)下的抗震性能目標(biāo)要求。
本工程通過減隔震設(shè)計(jì),橋梁結(jié)構(gòu)可以滿足相關(guān)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求,進(jìn)一步說(shuō)明在濱海、軟弱土場(chǎng)地環(huán)境、高烈度地區(qū)采用全預(yù)制拼裝橋梁結(jié)構(gòu)是可行的,可以為同類橋梁的設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)?!酢?/p>