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大芦线航道整治工程新汇路桥抗震设计

2016-11-18年福龙

城市道桥与防洪 2016年7期
关键词:主桥拉索水准

年福龙

(上海城投航道建设有限公司,上海市 200092)

大芦线航道整治工程新汇路桥抗震设计

年福龙

(上海城投航道建设有限公司,上海市 200092)

跨航道桥梁因其特殊性,主桥和引桥的重要性有所不同,其结构形式也往往区别较大。在进行桥梁抗震设计时,宜制定不同的设防目标及抗震措施,以确保桥梁结构安全、经济合理。现以大芦线航道整治工程新汇路桥抗震设计为例,经过多方面比选论证,对主桥、引桥采用不同的设防目标及抗震措施,进行合理的全桥抗震设计。其成果可为类似工程的建设积累若干宝贵经验。

跨航道桥梁;抗震设计;双曲面支座;拉索支座

1 工程概况

大芦线航道位于上海东南部,是上海市“一建设的重要组成部分。根据航道规划,整治后的大芦线航道为Ⅲ级航道,由于之前的航道等级较低,现状新汇路桥梁由于建设时间不满足新的通航要求,需拆除重建。

根据航道通航要求,新建新汇路桥主跨采用一跨过河布置,主桥采用计算跨径135 m的下承式系杆拱桥,主拱为钢箱拱肋,主梁为钢-混凝土组合梁。主桥桥面整幅布置,桥宽31.4 m(见图1)。与主桥两端相接的一跨引桥采用简支现浇预应力混凝土箱梁,其余引桥采用跨径22 m先简支后连续小箱梁,引桥双幅布置,单幅标准桥宽11.75m。全桥总体布置为(4×22 m)+(4×22 m)+(30.7 m)+ (137.4 m主桥)+(30.7 m)+(4×22 m)+(4×22 m)+ (22 m+30 m+22 m+22 m)+(4×22 m)。

2 抗震设防标准及性能目标

新汇路为城市次干路,根据《城市桥梁抗震设计规范》规定,桥梁抗震设防分类为丁类。由于主桥跨越Ⅲ级航道,其抗震安全性直接影响到大芦线航道的通航安全,故适当提高主桥的抗震设防标准。

(1)抗震设防标准:

a.抗震设防烈度7度,地震动峰值加速度为0.10 g。

b.主桥抗震设防类别为丙类,引桥抗震设防类别为丁类。

c.主桥抗震措施等级为按8度设防,引桥抗震措施等级为按7度设防。

(2)桥梁抗震性能目标,见表1所列。

3 地震输入参数

根据抗震规范规定,阻尼比0.05的水平设计加速度反应谱如图2所示(以主桥为例)。

考虑到主桥结构刚度较大,重要性较高,在E2水准下推荐采用减隔震设计。根据规范将设计反应谱生成人工地震时程波,如图3所示。

4 地震反应分析

利用Sap2000软件建立全桥的结构动力特性和地震反应分析的三维有限元模型(见图4)。主梁,桥墩和桩基均离散为空间的梁单元,承台模拟为质点,用等效土弹簧模拟桩土相互作用。

在E1地震水准下,应用弹性反应谱法对该桥进行抗震性能分析,计算采取前500阶进行组合,振型组合方式为CQC。

在E2地震水准下,主桥支座剪断进入非线性状态,根据生成的人工时程波进行非线性时程分析。

5 主桥抗震设计

5.1E1水准地震强度验算

在E1地震输入下验算主桥支座及构件承载能力如表2~表4所列。可见,主桥支座及各项构件强度均能满足E1水准性能目标要求。

5.2E2水准地震减隔震设计

图1 主桥布置图

图2 E1、E2水准水平向设计加速度反应谱图

图3 E2水准人工地震时程波图示

图4 抗震计算模型(主桥局部)

表1 桥梁结构抗震性能目标一览表

表2 E1水准下支座承载能力验算表(主桥)

E2水准地震下主桥支座的水平地震力超过支座容许承载力,支座将被剪坏,主梁进入漂浮体系。针对E2水准下地震烈度较大,桥梁构件强度难以满足的特点,目前常用的有延性设计及减隔震设计两种抗震策略。前者通过容许桥墩局部破坏进入塑性耗散地震能量,保护其余重要构件;后者则通过减隔震装置耗能,桥梁其余构件需保持弹性状态。

新汇路桥主桥桥墩刚度较大,采用延性设计有一定困难,同时考虑到主桥跨越繁忙的内河航道,桥墩损伤后修复比较困难,因此推荐在E2水准地震下进行减隔震设计。减隔震支座采用双曲面球型支座(见图5)。

图5 双曲面支座示意图

与常规支座不同的是,双曲面支座没有统一的支座型号参数,除摩擦系数外,曲率半径、地震自由程等各项参数均需要根据不同的桥梁构造形式、地震烈度、场地特征等予以特殊设计。在实际操作中,往往要对计算模型进行参数比选,以获得最合理的参数组合。以该桥为例,受构造尺寸所限,双曲线支座曲率半径限定为5 m,根据非线性时程分析,设计支座最大容许位移为250 mm。支座及构件承载能力如表5~表7所列。

表3 E1水准纵向输入下构件能力验算表(主桥)

表4 E1水准横向输入下构件能力验算表(主桥)

表5 E2水准下支座位移能力验算表(主桥)

表6 E2水准纵向输入下构件能力验算表(主桥)

表7 E2水准横向输入下构件能力验算表(主桥)

可知,结构各控制断面强度满足该工况下抗震性能目标的要求。

6 引桥简支跨抗震设计

主桥两端各一跨为简支现浇混凝土箱梁,优先考虑采用球钢支座。

根据规范要求,引桥抗震设防类别为丁类,抗震设计方法为B类,只需进行E1地震作用下的抗震分析和抗震验算。但是在支座抗震验算时,需采用支座调整系数来考虑E2地震作用效应。E1地震作用下支座承载能力如表8及表9所列。

表8 E1水准纵向输入下支座承载能力验算表(引桥)

表9 E1水准横向输入下支座承载能力验算表(引桥)

由表8及表9可知,引桥简支跨支座承载力能够满足E1水准下的抗震需求,但是在E2水准地震下将被剪坏,存在落梁风险,需要在墩梁之间设置抗震挡块,限制过大地震位移。同时,考虑到该跨引桥跨越防汛通道,为了确保震后防汛通道畅通,该桥引入了基于球钢支座的拉索减震支座(见图6)。

图6 拉索减震支座示意图

拉索减震支座是通过在普通球钢支座上下顶板之间增加弹性钢拉索连接、轻巧妙结合形成的一种新型减隔震支座。在遭遇罕遇地震时,支座固定销剪断,变成滑动支座摩擦耗能,减小地震力,同时由拉索限制地震造成的过大动位移。由于钢拉索为弹塑性材料,即使在达到最大强度屈服之后,仍具有较大的延性变形而不破坏的能力,相比混凝土限位挡块,能够更加有效地减小落梁风险。

7 引桥小箱梁抗震设计

其余各跨引桥为先简支后连续小箱梁,采用板式橡胶支座。只需进行E1地震作用下的抗震分析和抗震验算,支座承载能力如表10及表11所列。

由表10及表11可知,引桥小箱梁使用的橡胶支座是在E2水准地震下将发生滑移,小箱梁存在落梁风险。因此,该桥在盖梁上设置了双向挡块,以限制小箱梁纵横向位移(见图7)。

表10 E1水准纵向输入下支座承载能力验算表(引桥小箱梁)

表11 E1水准横向输入下支座承载能力验算表(引桥小箱梁)

图7 小箱梁挡块工程实例图

8 结 语

由于主桥和引桥的重要性有所不同,在进行跨航道桥梁抗震设计时,需要对主桥和引桥梁用不同的设防目标和抗震措施。在新汇路桥抗震设计中,主桥采用了基于双曲面支座的减隔震设计,引桥则根据实际情况采用了拉索减震支座和抗震挡块等抗震构造措施。通过合理的参数比选,在经济合理的前提下,最大限度地优化了全桥的抗震性能,减轻了桥梁结构的地震破坏。

U442.5+5

B

1009-7716(2016)07-0156-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.045

2016-03-10

年福龙(1964-),男,上海人,高级工程师,从事工程项目管理工作。

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