大跨度拱桥抗震设计探讨

2016-11-18彭崇乾罗美辉

城市道桥与防洪 2016年7期

关键词：阻尼器拱桥跨度

彭崇乾，罗美辉

（广东省建筑设计研究院，广东　广州　510010）

大跨度拱桥抗震设计探讨

彭崇乾，罗美辉

（广东省建筑设计研究院，广东广州510010）

目前，国内外现有的绝大多数桥梁工程抗震设计规范只适应于中等跨度的普通桥梁，超过适用范围的大跨度桥梁的抗震设计，则无规范可循。结合生产实例对大跨度拱桥的抗震研究分析提出了设计主要进行强度验算，重视高阶振型的影响和多点不同步激振（包括行波效应）和竖向地震动的影响，必要时采取适当的减隔震措施以减小地震反应，同时注重抗震措施的采用，确保大桥在设计地震作用下满足设防标准要求。同时对抗震分析计算中遇到的问题加以分析进而提出相应的对策措施。

大跨度拱桥；抗震分析；减隔震措施

0　引言

随着现代化城市人口的大量聚集和经济的高速发展，对交通线的依赖性越来越强，而一旦地震使交通线遭到破坏，可能导致的生命财产以及间接经济损失也将会越来越巨大。几次大地震一再显示了桥梁工程破坏的严重后果，也一再显示了桥梁工程抗震研究的重要性。我国是一个多地震的国家，地震灾害在我国频频发生。且据专家们预测，我国正面临一个新的地震活跃期。尽管到目前为止，大跨度桥梁因地震而毁坏的情况并不多见，但是鉴于它们在经济、交通等方面占据的特殊重要地位，以及20世纪国内外出现的几次惨重的地震灾害的教训，对这些重大工程进行抗震设防研究还是十分必要的。

1　大跨度拱桥的抗震研究现状

目前，国内外现有的绝大多数桥梁工程抗震设计规范只适应于中等跨度的普通桥梁，超过适用范围的大跨度桥梁的抗震设计，则无规范可循。我国公路工程抗震设计细则只适用于主跨不超过150 m的梁桥和拱桥；我国铁路工程抗震设计规范虽没有说明跨度范围，但说明“对特殊抗震要求的建筑物和新型结构应进行专门研究设计”。

由于拱桥不仅外形美观，而且跨越能力大。在200～600 m跨径范围内，拱桥仍是斜拉桥和悬索桥的有力竞争对手。因此，现实设计中大跨度拱桥在实际工程中得到较广泛的应用。

与中等跨径的普通桥梁相比，大跨度桥梁的地震反应比较复杂。基于高阶震型的影响比较明显。需要考虑多点激振和行波效应、各种复杂的非线性因素、桩—土结构相互影响等等。而另一方面又没有可遵循的现行规范。同时由于大型桥梁往往是一个区域的焦点，为追求独特的美观效果和与当地环境相适应，桥梁建设业主往往采用在全国范围内进行方案竞赛的方式选择合适的桥型。一旦桥型方案确定后，由于建设周期相对较短，桥梁专业设计人员往往只能被动地进行桥梁结构在地震作用下的强度变形验算，因而不能将先进的抗震设计思想充分地运用到桥梁的抗震设计中，从而影响抗震设计的效果。桥梁专业设计人员所能做的是根据能力设计思想对桥梁进行抗震能力分析、验算，必要时进行减、隔震设计以提高结构的抗震能力。

2　大跨度拱桥的抗震研究方法

桥梁设计要重视桥梁结构动力概念设计，选择较为理想的抗震结构体系；要重视延性抗震，用能力设计思想进行抗震设计；并适当采用减、隔震措施提高结构的抗震能力。

对重要、复杂、大跨度桥梁的抗震设计计算目前一般主要采用动态时程分析法，并以反应谱法做校核。动态时程分析法可精确的考虑地基和结构的相互作用、地震时程相位差及不同地震时程多分量多点输入、结构的各种非线性复杂因素（包括几何、材料、边界连接条件非线性）以及分块阻尼等问题。影响大跨度桥梁地震反应的因素主要有多点激励及行波效应、各种非线性因素、阻尼问题和桩—土相互作用等。

大跨度拱桥的主要承重构件—主拱的轴压比一般比较高，延性设计比较困难。故大跨度拱桥的抗震设计主要进行强度验算，重视高阶振型的影响和多点不同步激振（包括行波效应）和竖向地震动的影响，必要时采取适当的减隔震措施以减小地震反应，同时注重抗震措施的采用。

3　大跨度拱桥的抗震研究实例

下面结合广州南沙明珠湾大桥的结构抗震分析来对大跨度拱桥的地震输入的选取、动力计算模型的建立、动力特性分析、阻尼器型号和参数的选取及对桥梁抗震的影响、地震反应分析和抗震强度验算进行初步的探讨。

3.1设计基础资料

明珠湾大桥主桥推荐方案采用96 m+164 m+ 436 m+164 m+96 m中承式五跨连续钢桁拱桥，双层桥面布置，二片主桁，上层为双向八车道公路，两侧为人行道，桥面总宽41 m。下层中间为预留的BRT车道，管线走廊位于两侧。

主桥支座布置为：纵向一个主墩设置固定支座，其余墩设置活动支座，同时在另一个主墩上加设纵向阻尼装置；横向每墩一个支座横向限位，一个支座横向活动。桥式布置见图1。

图1　推荐方案桥型立面图（单位：mm）

主桥主墩为28#、29#墩，墩高在9 m左右，采用整体式空心墩。承台为八边形，承台尺寸为56.56 m×18 m×6.0 m（横×纵×高）。桩基采用钻孔灌注桩，桩径3.0 m，单个基础采用203.0 m钻孔灌注桩，桩长约50 m。

3.2地震影响、地震动参数和地震作用

明珠湾大桥采用的地震动输入参数主要依据广东省工程防震研究院提供的《广州南沙开发区新蕉门大桥工程岩土工程初步勘察报告》（以下简称安评报告）进行确定，见表1。

表1　抗震设计反应谱之参数值

3.3结构计算模型和主要输入参数

明珠湾大桥整体分析时采用三维有限单元模型，其中主桁架、墩、桩基等用梁单元模拟，吊杆用索单元模拟，支承连接条件一般用合理的线性或非线性连接单元模拟。

主桁杆件均使用空间梁单元（beam4）建模，每根主桁架杆件和吊杆均采用一个杆单元来模拟，桥墩单元（beam4）根据墩高截面尺寸合理划分。桥面板采用壳单元（shell63）进行简化处理；结构二期恒载（铺装、管道等）采用集中质量法转化为质点单元（mass21）加到相应的主桁架节点上。桩基通过在桩基础相应位置处设置纵、横桥向土弹簧的方法，来考虑桩土相互作用的影响，模型中仅考虑土弹簧刚度，忽略阻尼和质量特性的影响，土弹簧采用弹簧单元（Combin14）进行模拟，弹簧刚度根据土层的m值进行计算，分别设置纵向、横向土弹簧。

粘滞阻尼器采用combin37单元进行模拟。

大桥动力有限元模型见图2。

图2　大桥动力有限元模型

3.4动力特性结算结果

计算分析以重力工况为初始条件，成桥设计索力以初应变的形式输入。重力工况中考虑几何非线性的影响。1～20阶模态计算结果和振型特征见表2。

表2　结构动力特性

3.5弹性反应谱分析

明珠湾大桥抗震分析主要包含以下两个内容：（1）弹性反应谱分析；（2）非线性时程分析，包括阻尼器参数分析。

地震动输入按以下两种方式组合：纵向+竖向；横向+竖向。

由于对特殊大桥的抗震设计中，弹性反应谱分析仅作为校核手段，为节省篇幅，这里略去弹性反应谱分析结果。

3.6非线性抗震分析

非线性抗震计算中考虑了重力工况对于结构动力特性的影响，其中重力工况中考虑了几何非线性的影响。时程计算时，钢结构结构阻尼比取0.02，混凝土结构阻尼比取0.05。

地震动输入按以下两种方式组合：纵向+竖向；横向+竖向。

3.6.1阻尼器参数分析

根据反应谱分析结果，在纵向地震作用下，由于P28墩设置了固定支座，地震力主要作用在P28墩，而相同截面和配筋的P27墩最大弯矩非常小，不到P28墩最大弯矩的0.1倍，在这种情况下采用在P27墩和桁架之间位置设置纵向阻尼器，可达到减小P28墩内力，使各墩协调受力，同时能够减小主桁架内力和纵向位移，以及支座变形。

明珠湾大桥P27主墩处与桁架连接的阻尼器选型分析的阻尼系数和速度指数见表3，在纵向+竖向地震作用下进行不同阻尼器参数的交叉计算分析，计算结果取E2地震作用3组地震计算结果的最大值，共进行了12种不同参数阻尼器的计算分析。

表3　阻尼器参数分析工况表

分析结果显示：（1）随着阻尼系数的增大，P28剪力有明显的减小，阻尼系数每增加1 000 kN/（m/s），支座剪力减小5 000～6 000 kN，可见阻尼器能有效降低P28支座纵向剪力；（2）随着阻尼系数的增大，P27变形有明显的减小，阻尼系数每增加1 000 kN/（m/s），支座剪力减小0.5 kN；（3）阻尼力随着阻尼系数的增大而增大，对速度指数并不敏感。（4）无阻尼器时，P27设置纵向活动支座，P28墩设置了固定支座，因此P28墩底弯矩远大于P27墩，在设置阻尼器后，阻尼系数每增加1 000 kN/（m/s），P28墩底减小约40 000 kN·m，而P27墩底弯矩仅增加了5 000 kN·m，可见阻尼器对降低主墩内力有明显作用；（5）随着阻尼系数的增大，轴力有一定的减小，阻尼系数每增加1 000 kN/（m/s），轴力减小1 000～2 000 kN，可见阻尼器对主桁架结构也有一定的减震作用，但是阻尼系大于3 000后，阻尼系数的影响有减小的趋势；（6）随着阻尼系数的增大，轴力有一定的减小，在阻尼系数增大到2 000 kN/（m/s）后，轴力有变大的趋势；（7）随着阻尼系数的增大，轴力有一定的减小，在阻尼系数增大到3 000 kN/（m/s）后，对轴力的影响在减小。

3.6.2非线性时程计算结果

根据阻尼器参数分析结果，本报告取阻尼器阻尼系数C=3 000 kN/（m/s）n，速度指数n=0.3的计算模型，采用非线性时程法进行地震反应分析。下部结构计算结果见表4～表7。为节省篇幅，仅列出主墩相关参数值。