高震区城市高架桥梁的全预制拼装设计方案

2018-01-03王明晔卢永成

城市道桥与防洪 2017年12期

关键词：延性套筒桥墩

徐俊，王明晔，卢永成

（1.上海市政交通设计研究院有限公司，上海市 200030;2.上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海市 200092）

高震区城市高架桥梁的全预制拼装设计方案

徐俊1，王明晔1，卢永成2

（1.上海市政交通设计研究院有限公司，上海市 200030;2.上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海市 200092）

结合呼和浩特市高架桥工程设计，从设防水准、性能目标、抗震体系选择等方面对桥梁抗震概念设计进行了阐述，对国内首次在高震区采用全预制拼装结构的抗震性能进行了充分的论证，提出了合理可靠的设计方案，为类似桥梁设计提供有益的参考。

预制拼装；高震区；城市高架桥

0 引言

20世纪70年代，桥梁预制拼装技术在荷兰、美国等地开始应用。美国联邦公路署于2004年开展了桥梁快速施工相关技术的系列研究，核心就是预制拼装技术研究及在桥梁建造中的推广应用（见图1）。与此同时，日本也开展了预制拼装桥墩相关技术的研究，包括正常使用功能和抗震性能研究，并研发了一些新型预制拼装桥墩连接构造，编制了相应的设计指南[1]。

图1 国外预制拼装技术

伴随着国外先进技术和设备不断引进，预制拼装桥梁上部结构在我国得到越来越广泛的应用，预制拼装桥梁下部结构也从海上大型项目发展到城市桥梁高架项目。城市桥梁的建设与公路桥梁相比，更加关注施工期间交通管制、场地安全以及噪声、粉尘污染等产生的经济效应和社会效应。因此，混凝土预制拼装施工技术由于其具有的施工质量高、现场工期短、交通干扰少、噪声低等优点，已在上海地区桥梁建设中得到较多的应用。如S7新建公路、S26高速入城段、S3高速公路先期实施段、北横通道等工程应用。取得了良好的效果，在河南郑州、黑龙江密兴、四川成都、湖南长沙、新疆乌鲁木齐等地也正在组织实施中。

在各企业和科研机构及政府部门的努力下，部分省份正在陆续总结制定装配式桥梁结构的相关规程、规范，以指导桥梁预制结构体系的设计、施工、验收等。相关规范主要有：住建部标准《钢筋连接用灌浆套筒》（JG/T 398—2012）、住建部标准《钢筋连接用套筒灌浆料》（JG/T 408—2013）、住建部标准《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》（JGJ 355—2015）、住建部标准《节段预制拼装混凝土桥梁技术规范》（编制中）、上海市工程建设规范《预制拼装桥墩技术规程》（DG/TJ 08-2160—2015）、上海市工程建设规范《城市节段预制预应力混凝土桥梁设计规范》（编制中）。

1 工程背景

呼和浩特市昭乌达路哲里木路改造提升工程（以下简称“呼市南北高架工程”）主线高架桥总长约为10 km，位于呼市的市中心区域，交通繁忙，同时呼市的严寒气候条件决定了每年有效的施工时间较短。为最大限度降低桥梁施工对周边居民、交通和社会环境的影响，满足工程建设进度要求。该工程主线标准段和平行匝道拟采用全预制拼装设计。所谓全预制拼装技术，是指上、下部结构的构件主要采用工厂预制、现场拼装施工技术。该工程上部结构采用预制的简支小箱梁、简支组合梁，下部结构采用预制的倒T盖梁、立柱，采用灌浆套筒连接实现盖梁与立柱、立柱与承台的连接。

在呼市南北高架工程中应用预制拼装技术，一方面是严寒地区施工周期短以及城市高架桥交通繁忙的客观条件需要，同时也是响应国家发展和社会背景变化的需求，因此是非常必要的。

上海市工程建设规范《预制拼装桥墩技术规程》（DG/TJ 08-2160—2015）[2]规定：“本规程适用于非抗震区及抗震烈度6度区或7度区。”在呼市8度高震区条件下，该工程采用预制拼装技术是否适用是设计首先面临的挑战。

2 桥梁抗震概念设计

2.1 设防水准及性能目标

该工程地震基本烈度为8度。地震动峰值加速度a=0.20 g，反应谱特征周期T=0.4 s。抗震设防措施按9度进行设置。

结构抗震性能研究采用二水准设防、二阶段设计和基于结构性能的抗震设计思想。桥梁抗震设防标准为：在E1地震作用下，结构地震反应总体上在弹性范围，基本无损伤，桥梁在震后可立即使用；在E2地震作用下，结构可发生有限的地震损伤，桥梁经抢修可恢复使用，在地震后经过永久性修复可恢复正常的运营功能。

2.2 抗震体系选择

桥梁结构抗震体系应满足以下要求：

（1）有可靠和稳定传递地震作用到地基的途径；

（2）有效的位移约束，能可靠地控制结构地震位移，避免发生落梁破坏；

（3）有明确、可靠、合理的地震能量耗散部位；

（4）应避免因部分结构构件的破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。

目前，桥梁抗震设计主要有延性抗震设计和减隔震抗震设计两种方法。

针对该工程8度区的城市高架桥，设计选取标准联为研究对象，根据《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166—2011）[3]，分别按照延性结构体系和减隔震结构体系进行了抗震分析，比较了两种体系所对应的结构抗震性能。

延性抗震设计体系的基本思路是“抗”，通过提高结构的强度和延性，达到增强结构的抗震能力。地震作用下，桥梁的塑性变形、耗能部位位于桥墩，即通过在原设计基础上加强桩基来满足延性结构体系所必需的能力设计要求,从而确保结构塑性发生在墩底部位。

减隔震抗震设计体系是将普通支座更换为减隔震支座,地震引起的变形和地震能量的耗散均主要发生在减隔震装置上,进而大幅度减小结构地震响应,并且主梁的纵横向惯性力是由各墩柱共同承担，使墩身和基础在原设计条件下均保持为弹性工作状态。

对比两种抗震设计体系的实现方式和过程：采用延性设计，不可避免地使结构出现损伤，而且消耗大量材料，增加工程造价；减隔震体系则可以避免主体结构发生过大的地震损伤，可以减轻下部结构的抗震要求。从既往项目比较结果看,采用减隔震体系的设计方法比延性抗震设计可大量节省直接工程费用，具有非常可观的优势[4]。

上海市工程建设规范《预制拼装桥墩技术规程》（DG/TJ 08-2160—2015）1.0.2 条条文说明：“考虑到高地震危险性地区桥梁延性抗震对塑性铰区延性变形能力有更高的要求，而现有有限的试验数据尚不足以支持其在高地震危险地区推广应用，故本条文对预制桥墩的应用范围进行了适当的规定。”如前所述，该工程采用减隔震抗震设计方法，并没有延性抗震及塑性铰等问题，也就避免了规范担心的情况。因此，该工程采用预制拼装技术与该规范并不冲突。

综上所述,采用减隔震体系不仅可以获得更优的结构抗震性能,具有更好的经济性，还为在高震区高架桥使用预制拼装技术创造了有利条件。因此，该工程桥梁结构抗震体系推荐采用减隔震体系。

2.3 抗震概念设计

该工程桥梁结构减隔震设计主要是通过在桥梁上、下部连接处采用减隔震装置（如铅芯橡胶支座），以改变、调整结构的动力特性或动力作用，从而使桥梁结构在地震作用下的损伤限制在容许的范围内，以确保桥梁结构在地震作用下的安全性、可使用性和舒适性[5]。

该工程标准段下部结构一般采用桩柱式倒T盖梁桥墩，上部结构推荐采用30 m的简支小箱梁，桥面连续构造，90～120 m一联。小箱梁支座采用铅芯隔震橡胶支座。

通过这些成熟的结构和构造设计，该工程桥梁结构具有明确、可靠的地震作用传递途径，桥梁联内的刚度、质量分布均衡，桥墩（台）分担的地震作用合理。纵向的倒T盖梁及横向的挡块能提供有效的位移约束，避免桥梁发生落梁破坏。相邻桥梁结构之间预留了足够的间距，可防止主体结构在E2作用下发生地震碰撞。

3 预制拼装结构抗震性能验算

3.1 结构布置

设计选取了25.5 m、17.5 m桥宽标准段及8.5 m桥宽平行匝道结构进行分析验算。限于篇幅，以下以平行匝道为例论述[5]。

平行匝道断面全宽8.5 m，单向双车道，上部结构采用小箱梁，2片边梁，1片中梁，梁高1.6 m，箱梁顶做1.5%横坡，箱梁底水平，每片梁端设置单支座J4Q 420×420（G1.0±75 mm）。小箱梁采用整孔预制吊装。

平行匝道下部结构采用倒T型盖梁，宽8.24 m，高3.4 m，与预制梁外形保持一致。桥墩为1.8 m（横桥向）×1.6 m（顺桥向）单柱矩形墩。承台尺寸为5.8 m×5.8 m×2.5 m，4根1.2 m钻孔灌注桩。盖梁与立柱工厂预制现场拼装，承台和桩基现场浇筑施工。图2为标准横断面。

图2 平行匝道标准横截面（单位：mm）

3.2 动力特性分析

3.2.1 动力计算模型的建立

标准段动力特性分析采用有限单元方法，计算软件采用MIDAS Civil，有限元计算模型均以顺桥向为X轴，横桥向为Y轴，竖向为Z轴。

主梁、桥墩、承台均离散为空间的梁单元；二期恒载采用分布质量模拟；为了模拟桩土共同作用，对于承台基础，采用在承台底中心加6×6的土弹簧来模拟。

为考虑边联桥的影响，在进行时程分析时，采用一联三跨模型（见图3）。

图3 Midas计算模型

3.2.2 动力特性计算

根据建立的动力计算模型，进行了结构动力特性分析。表1列出了前4阶振型的频率和振型特征。图4为第一阶典型振型图示。

表1 动力特性表

图4 第一阶：主梁横向同向振动（T=1.119 s）

3.3 结构抗震性能研究

3.3.1 线性反应谱分析

反应谱计算采用规范反应谱。地震输入组合为纵桥向和横桥向。按《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166—2011）[3]，平行匝道属于规则桥梁，可以等效为单自由度体系，按单振型反应谱方法进行计算。考虑铅芯支座在低温下会硬化，分两种工况（考虑支座硬化1.6倍，控制墩柱受力以及不考虑支座刚度硬化，控制墩支座位移）进行讨论。计算墩高分别取H=4 m和H=8 m。计算得到：E2地震作用下墩底弯矩和支座位移（见表2）。

表2 墩柱和支座地震效应

结果表明，E2状态下，桥墩、基础仍处于弹性状态。

3.3.2 非线性时程分析

在50 a 2%的超越概率下，利用非线性时程分析方法，对非线性动力有限元模型进行地震反应分析。地震输入组合为纵向和横向。时程分析的最终结果，采用3组地震加速度时程计算时，取各组计算结果的最大值。非线性时程的结果统计见表3和表4。

表3 桥墩非线性时程结果统计

表4 支座非线性时程结果统计

从以上结果可知，反应谱结果与时程结果吻合得较好，设计以反应谱结果和时程结果的大值进行了桥墩及下部结构的截面验算，截面强度均满足性能目标要求。

3.4 与隔震设计相适应的抗震构造措施

根据上述抗震分析，在E2概率下，墩梁纵横相对位移约为±10 cm。为此，桥梁结构除了采用满足抗震规范要求的构造措施外，还需充分考虑结构在E2地震作用下的位移。该工程设计的纵向梁间缝宽以及横向挡块间隙均设为10～12 cm，这样就可确保减隔震支座在E2地震下能充分发挥作用，同时也避免了主梁滑落的危险性，并减少震后的修复工作量。

另外，盖梁内侧增设限位挡块，以限制正常使用状态下的横向位移，该挡块在E1地震下允许破坏。