唐山曹妃甸工业区西通路高架工程抗震设计
2014-09-27张元凯
张元凯
（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）
1 概述
唐山曹妃甸西通路高架桥工程始于二港池西区中路（K0+000），随后跨越纳潮河上的二港池大桥和一港池大桥，和正在建设中的西通路地面道路对接后沿线向东延伸，终于通岛路东侧（K11+170），全长11.17 km。一期实施工程范围：K5+985.000～K6+868.000，桥梁主线全长883 m。主桥长度276 m，采用两座跨径为138 m的单索面钢管混凝土系杆拱桥，主梁为钢-混凝土组合结构，桥面宽度29.5 m，钻孔灌注桩群桩基础。图1为主桥跨径布置图；图2为桥梁横断面布置图。
该工程位于唐山市，属历史强震区，抗震设防烈度为7度区，地震动峰值加速度0.15 g，地震动反应谱特征周期为0.4 s。对中等跨度的梁式桥的抗震设计，一般参照《公路桥梁抗震设计规范》（JTG 004-89）执行。但该规范适用范围有限，存在一些迫切需要解决的问题，如：单纯依靠强度抗震设防的问题、综合影响系数的问题、对基础保护不足的问题、对细部抗震构造设计的规定不足的问题等，已远远落后于目前国内外桥梁抗震研究水平。鉴于该工程的规模及其位于强震区的特点，目前没有可依据的抗震规范，需做专门的抗震研究，以确保该工程的抗震安全性。
2 抗震设防标准、性能目标和地震动参数
2.1 抗震设防标准
根据目前的抗震设计发展水平，西通路高架桥工程抗震设计采用了两水准抗震设防、两阶段设计和基于结构性能的抗震设计思想。对主桥部分，采用《公路桥梁抗震设计细则》中A类桥梁抗震设防标准：即50 a10%（E1地震作用）和50a3%（E2地震作用）两种超越概率地震动进行抗震设防；对于引桥部分，采用《公路桥梁抗震设计细则》中B类桥梁抗震设防标准：即50 a63%，考虑1.3重要性系数（E1地震作用）和50 a3%（E2地震作用）两种超越概率地震动进行抗震设防。
2.2 抗震性能目标
根据主桥和引桥的设防水准，针对不同的结构体系，采用基于结构性能和构件能力保护的抗震设计原则，提出了主桥和引桥各主要构件在不同设防水准下的性能目标。
2.2.1 主桥
主桥桥墩和基础等在E1地震作用下基本不发生损伤；在E2地震作用下，虽然可发生可修复的损伤，但要求地震发生后，基本不影响车辆的通行。
2.2.2 引桥
桥墩和基础等在E1地震作用下基本不发生损伤，在E2地震作用下，墩柱可发生损伤，进入塑性，按延性设计，但要求结构不倒塌，震后可以修复，可供紧急救援车辆通过。
2.3 地震动参数
基于《防震减灾法》，重大建设工程和可能发生严重次生灾害的建设工程，必须进行地震安全性评价，并根据地震安全性评价的结果，确定抗震设防要求，进行抗震设防。据此，委托河北省工程地震勘察研究院对该项工程进行了地震安全评价，对一港池大桥工程进行了地震危险性分析，确定了桥址场地的地震动特性，提供了在不同超越概率下对应的地震动参数（包括加速度反应谱和地震时程曲线），见表1所列。
图1 主桥跨径布置图（单位：m）
图2 桥梁横断面布置图（单位：m）
表1 场地设计地震动参数表
表中：PGA——地表加速度峰值；
αmax——地震影响系数最大值；
βmax——标准设计反应谱最大值；
Tg——反应谱特征周期。
3 桥梁抗震性能研究
3.1 主桥抗震性能研究
采用Sap2000有限元程序，按照不考虑河床冲刷（河床底标高-15 m）和考虑5 m河床冲刷后（河床底标高-20 m）两种情况，分别建立一港池大桥主桥，以及与之衔接的两侧引桥的动力空间计算模型（见图3）。两种情况下计算模型除土弹簧刚度不同外，其他参数皆为相同。
图3 主桥抗震计算模型
根据主桥地震反应特点，通过研究表明，主桥采用双曲面减隔震支座可以有效地减少下部结构地震力，从而节省工程量，因此，主桥均采用双曲面减隔震支座进行减震设计。在进行非线性时程地震反应分析时，考虑了双曲面减隔震支座非线性性能。其中，双曲面减隔震支座各参数取值如下：
（1）滑动球面与转动球面之间的球心距滑动面半径H取为5 m。
（2）屈服力Fy：即临界滑动摩擦力，取支座恒载承载力×μ，其中μ为摩擦系数，取为0.02。
（3）初始刚度K：支座恒载承载力×μ/屈服位移，其中μ为摩擦系数，取为0.02；屈服位移取为0.002。
对不考虑河床冲刷和考虑河床冲刷后两种情况的主桥动力计算模型分别进行结构动力特性分析，列出前20阶振型周期及频率和振型特征（见表2、表3）。
采用非线性时程方法，对主桥结构的抗震性能验算结果表明：在E1地震作用（超越概率50a10%）和E2地震作用（超越概率50a3%）下，主桥采用双曲面减隔震支座后，针对大桥不考虑河床冲刷和考虑河床冲刷两种情况，主桥结构满足预期性能目标要求。
表2 不考虑河床冲刷模型基本动力特性一览表
表3 考虑河床冲刷模型基本动力特性一览表
3.2 引桥抗震性能研究
采用Sap2000有限元程序，建立东西两侧引桥的动力空间计算模型，单元模拟方法与主桥相同。匝道段采用板式橡胶支座，主桥与各桥墩之间用线性弹簧单元连接。
在E1地震作用下，采用50 a63%超越概率反应谱曲线对线性模型进行地震反应分析时，地震输入方式：（1）纵向；（2）横向，两种方式。采用弹性反应谱分析方法，计算中取前500阶，按CQC方法进行组合，在此基础上考虑重要性系数1.3得到最终输出结果，对结构抗震性能进行验算后可知：
（1）引桥各桥墩关键截面保持弹性，抗震性能满足预期性能目标要求。
（2）引桥各桥墩桩基础保持弹性，抗震性能满足预期性能目标要求：
在E2地震作用下，采用50a3%超越概率的时程波（共3条地震波）对非线性模型进行地震反应分析时，地震输入方式为：（1）纵向；（2）横向，两种方式。分析方法采用非线性时程分析方法，并取3条波的最大值作为最终输出结果，对结构抗震性能进行验算后可知：
（1）引桥部分桥墩墩底截面进入塑性，但其延性能力是足够的。
（2）引桥各桥墩桩基础按照能力保护设计方法计算内力需求，经过验算其抗弯强度满足需求。
（3）按照能力保护原则，对进入塑性工作状态的引桥各墩柱进行塑性铰区域的斜截面抗剪强度验算，经验算其抗剪强度满足要求。
4 结语
西通路高架桥采用基于结构性能和构件能力保护的抗震设计原则，明确提出了主桥和引桥各主要构件在不同设防水准下的性能目标，采用了合理的抗震措施，主桥采用双曲面减隔震支座，改善了结构地震响应，提高了结构抗震安全性的同时，又节约了工程投资，为今后类似桥梁抗震设计提供了参考。
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