东明黄河公路大桥抗震设计

2014-12-25宋晓辉方国强

铁道建筑 2014年8期

宋晓辉，方国强，白洁

(中交集团北京建达道桥咨询有限公司，北京 100015)

1 工程概况

东明黄河公路大桥东接山东省日照至东明高速公路，西接河南省济源至东明高速公路。主桥位于主河道内，依据河道宽度及《东明黄河公路大桥防洪评价报告》，确定主桥跨径组合为(67+7×120+67)m及三联(67+6×120+67)m大跨径预应力混凝土连续箱梁。依据《东明黄河公路大桥工程场地地震安全性评价报告》，工程所处场地地震烈度为Ⅶ。该桥为高速公路上的特大桥，重要性高，一旦在地震中遭到破坏，将导致巨大的生命财产损失。而且工程所处场地地震等级较高，因此必须重视该桥的抗震设计，确保大桥的抗震安全性能。

2 抗震设防标准及地震动参数

根据《公路桥梁抗震设计细则》，本桥为B类桥梁，抗震设防标准为:E1地震作用下主要结构基本不发生破坏，E2地震作用下潜在塑性铰区域可进入塑性状态，震后可修复。地震动参数见表1。

表1 工程场地地震动参数

3 刚构—连续梁方案

主桥位于主河道内，平均墩高20 m，根据纵向平面杆系计算结果，靠近变形零点的两个主墩采用墩梁固结的结构形式，其余为非固结墩。上部结构采用变截面预应力混凝土箱梁，跨中梁高3.0 m，根部梁高7.5 m，梁高按1.8次抛物线变化。主梁顶板宽13.25 m，悬臂长3.125 m，顶板厚28 cm，底板厚由跨中28 cm变至根部75 cm，腹板厚50～65 cm。固结墩采用双薄壁墩，截面尺寸为7.0 m×1.8 m，非固结采用空心矩形墩，截面尺寸为7 m×4 m。承台厚3.5 m，基础采用21根直径1.8 m的群桩基础。本方案由于采用墩梁固结的结构形式，顺桥向、横桥向整体刚度大，地震作用时上下部结构产生的地震力主要由固结墩承担。

4 连续梁方案

本方案全桥主墩均采用连续梁结构形式，墩顶设置双曲面球型减隔震支座。上部结构采用变截面预应力混凝土箱梁，尺寸同刚构—连续梁方案。连续墩采用空心矩形墩，截面尺寸为7 m×4 m。承台厚3.5 m，基础采用21根直径1.8 m的群桩基础。双曲面球型减隔震支座具有高阻尼、高耗能、低刚度、大变形、耐腐蚀等特性，能够保证正常的支承竖向荷载、温度变形、收缩徐变变形的要求。在地震作用下，可以耗散地震能量，减小上部结构的惯性力，改善结构的抗震性能。本方案在地震作用下，所有主墩共同承受地震作用，下部结构组合刚度低，而且双曲面球型减隔震支座能够耗散地震能量，减小上部结构的惯性力，从而保证主体结构不受破坏。跨径布置见图1。

5 抗震计算比选

抗震计算采用SAP2000有限元程序，建立主桥空间模型。模型顺桥向为X轴，横桥向为Y轴，竖向为Z轴。主梁、墩柱、桩基均采用空间梁单元。承台模拟为质点，赋予承台质量，采用土弹簧模拟桩土作用。二期恒载等效为均布质量施加于主梁上。

刚构—连续梁方案计算模型采用弹性连接模拟支座，连接及边界条件见表2。

图1 连续梁方案桥型布置

表2 刚构—连续梁方案边界条件

连续梁方案计算模型采用摩擦隔震器单元模拟双曲面球型减隔震支座，支座球心距H取5 m，滑动摩擦系数μ取0.04，单个支座的恒载反力W为26 MN。双曲面球型减隔震支座发生位移时，上部结构自重沿滑动曲面的切线方向产生分力提供回复力，同时钢板间存在滑动摩擦力。支座的侧向力F等于回复力与摩擦力之和，F=(W/H)D+μW(sgnD)。支座屈服后的刚度Kh=W/H，式中D为支座位移。

根据计算，刚构—连续梁的基本周期为3.30 s，连续梁的基本周期5.56 s。

根据《公路桥梁抗震设计细则》，桥墩和桩基为抗震主要验算构件，其中桩基按能力保护构件设计。分别对刚构—连续梁方案和连续梁方案进行详细抗震计算，桥墩和桩基关键截面的弯矩计算结果及纵筋配筋结果见图2—图4和表3、表4。