高烈度区单线铁路大跨混凝土连续梁桥抗震设计

2012-01-27张蓓雯

铁道标准设计 2012年8期

张蓓雯

(中铁上海设计院集团有限公司,上海 200070)

1 概述

1.1 工程背景

徐洪河特大桥主桥位于宿迁泗洪县归仁镇南,是宿淮铁路跨越徐洪河桥梁。主桥采用(66+108+108+66) m预应力混凝土连续梁,见图1。主桥段线路平面为直线,纵断面位于R=15 000 m竖曲线上,单线桥,线路与河道夹角64°。桥位处河道顺直宽阔,两岸均筑有堤防,主堤内有青滩,主堤距约240 m,水面宽度115 m,水深6 m。桥位处现为Ⅴ级通航河道,规划预留Ⅲ级航道,航道净空：70 m(净宽)×7 m(净高)。

图1 徐洪河特大桥主桥总布置(单位：cm)

1.2 桥位场地情况

桥址区域地势平缓开阔,没有引起滑移、坍塌的不良地质现象。桥址区场地地基土结构较有规律,下部地层分布稳定,未见大型活动断裂通过。

桥址区域地层按其成因和时代分类主要有：第四系全新统(Q4al)黏性土,粉土、粉砂；第四系上更新统(Q3al)黏性土；第四系中更新统(Q2al)砾砂、黏土。区内第四系地层分布普遍广泛且厚度大,构造形迹不发育,地质构造相对简单。

1.3 抗震设防标准

根据国家标准《中国地震动参数区划图》(GB18306—2001),本场地抗震设防烈度为八度,地震动峰值加速度Ag为0.20g。本场地土属中软～中硬土,场地类别划分为Ⅲ类场地。设计地震分组属于第一组,地震动反应谱特征周期为0.45 s。

依据《铁路工程抗震设计规范》(GB50111—2006)3.0.1条,本桥为主跨大于80 m的混凝土连续梁,抗震设防类别判定为B类,对应的抗震设防措施等级为8度。

1.4 结构抗震性能等级

根据徐洪河特大桥主桥的具体情况,确定主桥抗震设防标准及结构性能目标,见表1。

表1 主桥抗震设防标准及结构性能目标

2 抗震设计思路

本桥抗震设计遵循多水准设防、多性能目标的基于结构性能的抗震设计思路。

在桥梁抗震设计过程中,结合本工程具体特点,抛开了传统的强度设计理论,选择了以抗震概念设计为先导,结合桥梁结构地震反应分析,指导桥梁结构设计及抗震措施的三阶段设计方法,确定了适合于本桥结构特点的结构体系及抗震体系,成功实现了预期的抗震设计目标。

2.1 抗震概念设计

地震作用是一种不规则的循环往复荷载,且具有很强的随机性；桥梁结构的地震响应因场地条件及结构特性等因素影响,其破坏机理十分复杂。由此,若要进行精准的桥梁结构抗震设计则尤为困难。

20世纪70年代以来,研究人员在总结历次震害的经验中提出了“概念设计”的思想,并将其独立于“数值设计”之上。抗震概念设计是指根据地震灾害和工程经验等获得的基本设计原则和设计思想,正确地解决结构总体方案、材料使用和细部构造,以达到合理抗震设计的目的。合理的抗震设计,要求结构设计在实现抗震设防目标的同时,其在构件强度、刚度和延性等技术指标上达到最佳匹配,并具有优异的经济性。

桥梁抗震概念设计主要包含2方面内容,即合理的桥梁结构选型和抗震体系选择。

2.2 桥梁结构合理的抗震选型

2.2.1 桥位工程条件判定

本工程勘探结果显示：桥址区地势平缓开阔,略有起伏,没有引起滑移、坍塌的不良地质现象,场地总体稳定。

桥址区场地地基土结构较有规律,下部地层分布稳定,未见大型活动断裂通过。

区内第四系地层分布普遍广泛且厚度大,构造形迹不发育,地质构造相对简单。

场地内局部分布有液化土层②2粉土(Q4al),为轻微液化。主桥区域该土层缺失。

综上所述,场地工程条件总体情况适宜桥梁建设。

2.2.2 桥式方案选择

桥位处河道顺直宽阔,两岸均筑有堤防。东、西两侧主堤断面差异较大,内侧均有青滩,主堤距约240 m,中间主槽宽度约100 m,线路与河道夹角64°。由于线位走向受到沿线多处控制点的制约,跨河段斜交角经多次调整后已没有进一步改善的可能。

技术人员在桥式方案的选择过程中,重点关注以下几方面因素。

(1)主孔跨度需满足航道部门提出的Ⅲ级航道通行要求,即桥下航道净宽需达到70 m。由于线路与河道的斜交角度较大,经仔细核算后确定桥梁通航主孔跨度需大于100 m。

(2)对于大桥建设水利部门也提出了十分严格的要求：跨河段墩位布置需避让主堤迎坡面及堤顶区域,以确保大堤在大桥建成后的防汛安全。对于此要求的响应基本决定了大桥的跨度布置,因为根据徐洪河大堤及河道的实测断面情况,西侧跨堤桥孔的跨度需大于100 m,东侧布跨情况虽略为有利,但也需布置60 m以上的边孔。

(3)为最大限度减小桥墩对河道行洪及通航的不利影响,水利部门进一步对水中桥墩的布置做了规定：水中墩的截面必须采用圆形；桥墩基础布置必须低于规划航道河底高程。

基于上述情况分析,本桥适用的桥式基本局限于大跨梁式桥,即大跨连续梁或连续刚构。由于桥位处地势平坦,河槽也较为宽浅,故墩高普遍较矮,其中最大墩高的水中墩为14～15 m,陆上墩分别为6.5～11 m,由此,连续刚构方案明显不合理在方案研究之初便被舍弃,明确采用大跨连续梁方案。考虑到桥梁上部结构质量及结构特性对地震力效应的影响,设计人员进一步考虑在方案设计过程中合理控制联长,并通过优化桥墩及桩基布置形式,进一步优化各桥墩刚度,使主桥各墩合理分担水平地震力。

2.3 桥梁总体布置及结构设计

基于上述原则并结合结构敏感性分析,主桥结构最终确定为(66+108+108+66) m预应力混凝土连续梁,两侧相邻联桥跨分别为40 m混凝土简支箱梁和32 m简支T梁。

主桥各墩(61、62、63、64、65号)及基础设计见表2,各墩刚度及剪跨比参数见表3。

表2 主桥各桥墩及基础设计汇总

表3 桥墩刚度及剪跨比参数

其中61、62、65号墩为陆上墩,墩身采用圆端形实体断面； 63、64号墩为水中墩,采用圆形实体断面。在63号墩设固定支座,其余墩均设活动支座。

全桥基础均采用钻孔灌注桩,61、65号边墩采用φ100 cm桩基础,桩长37 m,持力层为④1中粗砂(Q3al)；62、63、64号主墩采用φ150 cm桩基础,桩长50～53 m,持力层为④1中粗砂(Q3al)。

2.4 桥梁结构抗震体系选择

根据桥梁结构设计及其工程条件建立全桥结构动力特性分析模型,采用反应谱法进行三水准下的地震响应分析,并对各水准下墩身、桩基及支座进行能力验算,以准确评估结构的地震响应及抗震性能。

分析结果显示：最初的桥梁设计在各水准地震力作用下,结构性能均显示不足,特别是在设计地震及罕遇地震作用下,结构性能远远不能满足抗震要求。各水准地震力作用下结构性能存在的主要问题如下。

(1)多遇地震

在多遇地震作用下各桥墩和桩基均保持在弹性状态；支座位移在可接受的范围内,仅横向地震力输入时, 61、65号墩支座水平抗剪能力不足,支座破坏。

(2)设计地震

在设计地震作用下,纵桥向输入时63号墩身及桩基将发生屈服损伤；横桥向输入桥上无车时61、63号墩身及61、62、63、65号墩桩基发生屈服损伤；横桥向输入桥上有车时,63号墩身及61、62、63、65号墩桩基发生屈服损伤；63号墩固定支座水平抗剪能力不足,支座破坏。

(3)罕遇地震

在罕遇地震作用下,纵桥向输入时63号墩身及63、64号墩桩基将发生屈服损伤；横桥向输入桥上有车及无车条件下,各桥墩及桩基均损伤严重,并承受较大的拉力；支座水平抗剪能力不足,支座破坏。

鉴于上述分析结果并结合本桥结构特点,设计人员曾运用传统抗震设计方法即强度设计理论,对结构进行了设计比对,具体做法为：维持各墩墩身截面尺寸不变,通过增加墩身钢材用量及加桩的方法来提升桥墩构件的强度,进而满足预期的抗震性能要求。此比较方案与原方案结构设计对比见表4。

表4 方案结构设计对比

由表4对比可以看出,如选择传统抗震设计思路,则需大幅度增加材料用量,也会理所当然地导致工程投资的大幅上升。显然,这不是理想的设计,同时也证明了传统的强度设计思路已不适用此类桥梁结构,必须寻找新的解决方案。

进一步对比分析显示：通过对结构施加一定的减隔震措施后,墩底及桩基内力均有明显的改善,支座位移亦得到控制，罕遇地震作用下部分对比结果见图2、图3、图4。这表明减隔震方案能在罕遇地震作用下能起到较好的减震效果,能有效地降低结构的地震响应,从而满足预期的抗震性能要求。

图2 纵桥向输入时墩底弯矩对比

图3 横向输入桥上无车时墩底弯矩对比

图4 横向输入桥上有车时墩底弯矩对比

3 减隔震设计

3.1 减隔震体系设计

3.1.1 桥梁减隔震系统的特点

桥梁的减隔震系统主要具备以下3个特点：

(1)具备一定的柔度,用来延长结构周期,降低地震力；

(2)通过阻尼、耗能装置等对地震力进行耗散,并将支承面处的相对变形控制在设计允许的范围内；

(3)具备一定的刚度和屈服力,在正常使用荷载下结构不发生屈服和有害振动。

3.1.2 桥梁减隔震装置的选择

应用于桥梁工程中的减隔震装置不仅要能减震耗能,还必须满足正常运营荷载的承载要求。因此,在选择桥梁工程减隔震装置时需重点关注以下几方面内容：

(1)进行减隔震设计时,应选用作用机构简单的减隔震装置,并在其力学性能明确的范围内使用；

(2)在不同水准地震力作用下,减隔震支座都应保持良好的竖向荷载支承能力；

(3)减隔震装置应具有较高的初始水平刚度,使桥梁在风荷载、制动力等作用下不发生过大的变形和有害振动；

(4)当温度、徐变等引起上部结构缓慢的伸缩变形时,减隔震支座产生的抗力应比较低；

(5)减隔震装置应具有较好的自复位能力,使震后桥梁上部结构能够基本恢复到原来位置。

目前,国内市场上由各专业公司提供的桥梁减隔震产品十分丰富,常用的产品如：橡胶隔震支座(EBP)、高阻尼橡胶支座(HDRP)、摆式摩擦隔震支座 (FPB)、速度锁定器(LUD)、粘滞阻尼器、弹塑性阻尼器(ED)等,这些产品在桥梁抗震设计中均有成功应用的案例。

3.2 减隔震体系方案设计

在减隔震体系方案的设计过程中,通过研究各种减隔震装置对本桥的结构适应性,并进一步对比分析,最终确定适合于本桥的减隔震体系方案。

减隔震体系方案对比见表5。

表5 减隔震体系方案对比

通过对上述4个方案的对比分析,考虑减隔震装置对桥梁结构的适应性及其减隔震效果,最终确定采用FPS支座并联粘滞阻尼器的减隔震方案。

在初步确定减隔震体系的前提下,设计人员又进一步通过敏感性分析确定减隔震装置的各项技术参数。

全桥各墩减隔震装置平面布置见图5，全桥各墩减隔震装置技术参数见表6。

图5 墩顶减隔震装置平面布置(单位：cm)

表6 减隔震装置主要技术参数

4 抗震措施及抗震构造设计

(1)通过调整各墩桩基布置形式及墩身截面尺寸,优化桥墩刚度匹配,使各墩合理分摊水平地震力,充分发挥墩身及基础材料性能。

(2)选择FPS支座并联纵向阻尼器构成适应于本桥结构特性的减隔震系统,此系统在遭受水平地震力时受力明确,纵横向发生位移自由协调,且由于系统采用了FPS支座,故结构在经历地震后具有一定的自复位能力,有利于灾后修复。

(3)根据桥梁结构特性及所采用减隔震系统的特点,合理确定减隔震装置的目标位移。此项内容反映在桥墩顶帽结构尺寸设计方面,墩顶平面空间在满足减隔震系统布置的同时,亦需满足减隔震系统发生最大目标位移时的构造要求。

(4)为保证上部结构在地震发生时能自由位移,适当缩短边孔结构长度,预留足够的梁缝宽度满足减隔震目标位移的要求。同时,对此处连续梁边墩高低墩盖梁结构进行特别处理,使高低墩盖梁结构不侵入梁缝宽度范围,进一步确保梁端位移空间。

(5)梁底设置横桥向防落梁挡块,挡块与支承垫石间设置缓冲橡胶垫块,且其间距离满足减隔震系统最大目标位移要求。对于纵桥向防落梁设计,考虑到主桥边墩设置高低盖梁的因素,其对主桥上部结构可起到有效限制纵桥向位移的作用,故不再设置纵向支挡。但技术人员还是对结构在纵桥向的变位采取了进一步的防护措施,加长了主桥边支座支承垫石纵桥向长度,以防止梁端支座意外滑落。

(6)合理确定FPS支座水平剪断力取值区间,其下限值要求支座具有足够的刚度和屈服强度,以避免其在正常使用状态下出现因风荷载、制动力等引起的有害振动,即支座必须具备足够的安全储备以确保线路的正常运营；其上限值则要求支座在结构遭受超越多遇地震的地震力作用时能即刻剪断,以使减隔震装置及时参与工作,充分发挥其减隔震作用。

(7)根据铁路工程抗震设计规范,加强墩身及钻孔桩桩顶箍筋配置,并对桥墩与承台、承台与桩基的连接部位采取加强措施。