某V形河谷地區(qū)簡(jiǎn)支梁橋抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化

黃列夫，夏劍強(qiáng)，劉朝暉，陳愛(ài)軍

(1.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014；2.中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程學(xué)院 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

0 引言

地震地區(qū)橋梁一般應(yīng)采用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)形式和均勻的布置方案，以利于橋梁結(jié)構(gòu)各部分共同承擔(dān)水平地震力。但V形河谷地區(qū)，各橋墩高度往往相差較大，導(dǎo)致橋墩剛度差相差較大，雖然通過(guò)板式橡膠支座的調(diào)節(jié)可得到一定改善，但水平地震力在各墩間的分配一般仍不理想。為此，本文以湖北省羅田縣省道323改建公路上某公路大橋分聯(lián)方案及橡膠支座選型匹配為例進(jìn)行了深入研究。

張穎周等[1]此前對(duì)板式橡膠支座合理計(jì)算模型進(jìn)行了研究；宋雷等[2]對(duì)鉛芯橡膠支座在簡(jiǎn)支梁橋減隔震中的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究；張帥等[3]、郝曉光等[4]、狄秉臻等[5]、王濤等[6]等對(duì)于山區(qū)常規(guī)橋梁墩柱合理設(shè)計(jì)、抗震性能研究等提供了良好的借鑒；莊衛(wèi)林等[7]對(duì)簡(jiǎn)支體系橋梁震害進(jìn)行了總結(jié)并提出了相關(guān)抗震設(shè)計(jì)對(duì)策，為常規(guī)橋梁抗震設(shè)計(jì)提供了一些思路。

1 初設(shè)基本情況

1.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

a.公路等級(jí)：二級(jí)公路。

b.設(shè)計(jì)速度：40 km/h。

c.設(shè)計(jì)荷載：公路-Ⅰ級(jí)。

d.設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)。

e.橋梁設(shè)計(jì)使用年限：100 a。

f.橋梁寬度：9.0 m=凈8.0 m(行車(chē)道)+2×0.5 m(防撞護(hù)欄)。

g.橋梁航道等級(jí)：無(wú)通航要求。

h.設(shè)計(jì)洪水頻率：1/100。

i.抗震設(shè)防等級(jí):地震動(dòng)峰值加速度0.10g,特征周期0.35 s,相應(yīng)的地震基本烈度為7度,橋梁抗震設(shè)防類(lèi)別為B類(lèi),橋梁抗震措施等級(jí)為三級(jí)。

1.2 橋型方案

該橋初設(shè)審定方案采用7孔30 m預(yù)應(yīng)力砼簡(jiǎn)支T梁橋，全橋長(zhǎng)217.08 m，上部結(jié)構(gòu)采用7跨一聯(lián)，橋面連續(xù)構(gòu)造。梁高2 m，橫橋向由2片邊梁及2片中梁組成。中梁預(yù)制寬度1.75 m，邊梁預(yù)制寬度2.055 m，預(yù)制梁采用C50混凝土。

下部結(jié)構(gòu)0#橋臺(tái)采用柱式臺(tái)配D1.5 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，7#橋臺(tái)采用重力式U型橋臺(tái)。

橋墩采用雙柱式橋墩，1#墩和6#墩墩柱采用D1.6 m圓形雙柱式墩，接D1.8 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁頂和柱間設(shè)系梁；2#～5#墩墩柱采用D2.2 m圓形雙柱式墩，接D2.5 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁頂和柱間設(shè)系梁，墩身及樁基均采用C35混凝土結(jié)構(gòu)；所有橋墩墩頂均設(shè)鋼筋砼蓋梁，橋型布置見(jiàn)圖1。

圖1 橋型布置圖(單位：mm)

施工圖設(shè)計(jì)階段，重點(diǎn)從分聯(lián)方案、支座選型匹配等方面對(duì)該橋進(jìn)行了抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2 橋跨分聯(lián)及支座選型優(yōu)化

2.1 橋墩剛度分析

由于橋位地質(zhì)條件較好，覆蓋層較薄，下覆基巖為花崗巖，墩底與地面交接處近式按固結(jié)處理。根據(jù)橋型布置圖，各墩高度分別為：1#墩高18 m，2#墩高為34 m(D2.2 m)+6 m(D2.5 m)，3#墩高為36.8 m(D2.2 m)+7 m(D2.5 m)，4#墩高為36.1 m(D2.2 m)+8 m(D2.5 m)，5#墩高35 m，6#墩高9.5 m，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法，計(jì)算各橋墩的水平剛度，如表1所示。

表1 各橋墩水平剛度Kp

從表1可以看出，各橋墩水平剛度差異較大，尤其是6#墩水平剛度與3#墩水平剛度之比達(dá)22.95，因此，橋墩剛度調(diào)整及分聯(lián)方案對(duì)于抗震設(shè)計(jì)十分重要。從結(jié)構(gòu)安全與經(jīng)濟(jì)性考慮，1#、6#墩直徑不宜過(guò)度減小，其余橋墩直徑加大不太經(jīng)濟(jì)，為此，施工圖階段重點(diǎn)對(duì)上部結(jié)構(gòu)分聯(lián)方案及下部橋墩支座優(yōu)化選型進(jìn)行了分析研究。

2.2 支座擬定

根據(jù)計(jì)算，該橋單片梁?jiǎn)味酥ё畲蟪袎毫? 540 kN，對(duì)照《公路橋梁板式橡膠支座》(JT/T4—2019)[8]，支座選型平面最小規(guī)格為Ia×Ib=350 mm×500 mm，相應(yīng)容許承載力Rck為1 666 KN。按支座承載力不小于1 540 kN、支座橫橋向?qū)挾菼b不大于600 mm(T梁底寬)、平面最小規(guī)格不小于350 mm×500 mm初步選定各類(lèi)型支座型號(hào)，各支座型號(hào)剪切剛度見(jiàn)表2，其中，橡膠剪切模量G取1 MPa，每個(gè)橋墩按8個(gè)支座考慮，Kz=8×G×A/h，h為橡膠層總厚度。

表2 初擬板式橡膠支座剪切剛度Kz

從表2可以看出，初擬各類(lèi)型板式橡膠支座剪切剛度差異最大達(dá)到3倍，故地震地區(qū)，順橋向各墩可通過(guò)合理選定橡膠支座與橋墩串聯(lián)來(lái)優(yōu)化調(diào)整各橋墩聯(lián)合剛度。

2.3 優(yōu)化方案擬定

由于該橋梁位于V形河谷地區(qū)，岸坡側(cè)橋墩與河床處橋墩高度相差較大，橋跨布置難以滿(mǎn)足對(duì)稱(chēng)均勻的布置方案，上部主梁分聯(lián)方案及支座選型確定，對(duì)于下部橋墩承擔(dān)水平地震力影響較大。為此，本文針對(duì)不同分聯(lián)方案與支座選型匹配擬定了3個(gè)優(yōu)化方案，支座選型盡可能使各橋墩和支座組成串聯(lián)體系等效剛度Kt相對(duì)均衡，即各橋墩間水平剛度比均衡，其中，Kt=Kp×Kz/(Kp+Kz)。

方案1：上部主梁按7×30 m一聯(lián)，橋面連續(xù)構(gòu)造(計(jì)算模型按鉸接模擬)，全橋兩岸0#、7#橋臺(tái)處各設(shè)1道伸縮縫，橋臺(tái)支座采用四氟滑板式橡膠支座，1#墩和6#墩墩柱尺寸由D1.6 m優(yōu)化為D1.5 m，同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化匹配橡膠支座，優(yōu)化各墩等效剛度，各墩尺寸及支座選型見(jiàn)表3。通過(guò)橡膠支座串聯(lián)調(diào)節(jié)后，所有橋墩聯(lián)合剛度及橋墩間剛度比均大幅下降，聯(lián)合剛度最大6#墩與最小3#墩的剛度從未設(shè)橡膠支座前的22.95降為4.6，故順橋向各橋墩剛度相差較大時(shí)，在各墩頂選擇剪切剛度合理的橡膠支座來(lái)調(diào)整各墩的等效剛度是十分有效的。

表3 方案1各橋墩尺寸及支座選型表

方案2：上部主梁按(30+5×30+30)m分三聯(lián)布置，全橋僅在1#、6#墩頂共設(shè)2道伸縮縫，0#、7#橋臺(tái)及其余墩頂處采用橋面連續(xù)構(gòu)造[9]，橋墩尺寸與方案1相同，1#、6#橋墩全部采用四氟滑板支座，橋臺(tái)水平抗推剛度近似按無(wú)窮大處理，通過(guò)優(yōu)化匹配各墩頂橡膠支座，使各墩等效剛度盡可能趨于均衡，各墩臺(tái)尺寸及支座選型見(jiàn)表4。一聯(lián)內(nèi)2#～5#橋墩，任意兩墩間及相鄰橋墩間的水平向抗推剛度比都相對(duì)均衡，有利于各橋墩共同承擔(dān)水平地震力；1#和6#墩設(shè)置伸縮縫和四氟滑板支座，地震作用下，由于橋臺(tái)聯(lián)合水平抗推剛度很大，絕大部分水平地震力由兩岸橋臺(tái)承受，交界墩承受的水平地震力相對(duì)較小。

表4 方案2各橋墩臺(tái)尺寸及支座選型表

方案3：上部主梁按(3×30+4×30)m分二聯(lián)布置，全橋共在0#、3#、7#墩臺(tái)位置共設(shè)3道伸縮縫，每聯(lián)采用橋面連續(xù)構(gòu)造，橋墩尺寸與方案1相同，0#、3#、7#墩臺(tái)全部采用四氟滑板支座，橋臺(tái)本體水平抗推剛度近似按無(wú)窮大處理，各墩臺(tái)尺寸及支座選型見(jiàn)表5。

表5 方案3各橋墩臺(tái)尺寸及支座選型表

3 抗震分析

3.1 分析模型

采用有限元分析程序Midas/Civil來(lái)建立模型。計(jì)算模型采用桿系分析模型，由于橋位地質(zhì)條件較好，覆蓋層較薄，下覆基巖為花崗巖，墩底與地面交接處近似按固結(jié)處理，四氟滑板支座近似不計(jì)水平剪切剛度影響，板式橡膠支座采用彈性連接模擬，計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型圖

3.2 抗震分析

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]，按地震反應(yīng)譜法計(jì)算各方案橋墩E1地震作用下內(nèi)力見(jiàn)表6。

表6 各方案E1地震下順橋向彎矩

從表6可以看出，方案2分聯(lián)方案下，1#、6#墩墩底彎矩分別為方案1的39.0%、56.6%，高度差較大的1#墩、6#墩承擔(dān)的水平地震力大幅減小，而2#～5#橋墩承擔(dān)的水平地震力相對(duì)較均衡，墩底增加彎矩也在結(jié)構(gòu)安全范圍內(nèi)；方案3各墩地震響應(yīng)差異較大，尤其1#、6#墩墩底彎矩較大，且聯(lián)內(nèi)橋墩間剛度比相差較大，也不符合抗震措施[11]設(shè)計(jì)相關(guān)要求，故方案2最優(yōu)，作為施工圖設(shè)計(jì)[12]推薦方案。

4 結(jié)語(yǔ)

本文依托某V形河谷地區(qū)二級(jí)公路PC簡(jiǎn)支梁橋，采用不同分聯(lián)方案與橡膠支座優(yōu)化選型進(jìn)行了分析對(duì)比研究，同時(shí)，應(yīng)用Mmidas有限元程序，對(duì)各方案按反應(yīng)譜法進(jìn)行了地震效應(yīng)分析驗(yàn)證，主要結(jié)論如下：

a.順橋向各橋墩水平抗推剛度相差較大時(shí)，在各墩頂選擇剪切剛度合理的橡膠支座來(lái)降低并調(diào)整各橋墩的等效剛度十分有效，有利于降低各橋墩地震作用影響。

b.V形河谷地區(qū)多跨一聯(lián)簡(jiǎn)支梁橋，將兩岸橋臺(tái)處伸縮縫改移至相鄰跨矮墩、橋臺(tái)處采用橋面連續(xù)構(gòu)造處理后，通過(guò)分聯(lián)優(yōu)化和匹配合理的板式橡膠支座，岸坡上矮墩地震工況下承擔(dān)水平力大幅減小，該形式分聯(lián)優(yōu)化可為同類(lèi)橋梁的抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。