深覆盖层、高烈度地带上承式拱桥抗震设计

2023-10-16曾应祝

交通科技与管理 2023年18期

曾应祝,阳瑞

（核工业西南勘察设计研究院有限公司,四川成都 610000）

0 引言

该项目所在地为山沟峡谷地带，从地形上看是非常适宜修建拱桥[1]，而拱桥由于其特殊的结构特点，其通常设计在两岸地质条件较好的情况下，通过两岸的基岩为拱脚提供水平推力，而该项目所在桥址区右岸为土质边坡，覆盖层最大深度约为45 m，覆盖层主要为碎石和块石，其无法为拱桥提供足够的推力，因此在进行桥梁设计时应尽可能地减小水平推力、增大边坡抵抗水平推力的能力。而钢桁架拱桥由于其自重轻，产生水平力小，跨越能力大，景观效果好[2]，同时其结构延性大，对于拱座变形适应能力强，非常适宜该项目。

针对既有钢桁架拱桥的研究主要有以下几方面：李小珍[3]等研究了上承式钢桁拱在多维地震作用下不同部位的损伤状态，为钢桁架拱桥的抗震构件设计提供了一定的参考意义；张永亮等[4]对比研究了粘滞阻尼器、BRB防屈曲支撑、速度锁定装置三种不同减隔震措施对上承式拱桥的减震效果，并针对不同的减隔震措施提出了合理的设计建议。以上众多研究均是在考虑拱座位置处的地质条件较好的前提下，但对于一侧拱座边坡位于深覆盖层的情形研究相对较少，该文结合该项目实际地质，进行抗震设计，并提出相应的抗震措施。

1 工程概况

1.1 地质条件

拟建大桥起点侧边坡主要以岩质边坡为主，坡顶表层有少量第四系残坡积堆积物。岩质边坡坡体岩性主要为奥陶系下统湄潭组（O1m）的砂岩、寒武系上统二道水组（Є3e）的白云岩，受区域地质构造影响，结构面发育，故各结构面相互组合切割，导致岩体被切割成不同大小的块状，极为破碎。

拟建大桥终点侧边坡主要为土质边坡。边坡地层结构主要由第四系残坡积的碎石、块石等组成。碎石母岩成分主要为白云岩、石灰岩，呈强—中风化，粒径大于20 mm的颗粒质量占总质量的55%~70%，一般粒径约20~100 mm，大者可达200 mm，含有约10%左右的块石，块石粒径一般为30~50 cm，个别大者可达1.5 m，充填物主要为灰黄色可塑状粉质黏土及角砾。边坡坡脚位置出露有高约8~14 m的寒武系中统西王庙组（Є2x）的紫红色粉砂岩，岩体较破碎。在天然工况下稳定系数为1.413，地震工况下稳定系数为1.156，据此，可判定该边坡在天然和地震工况下均处于稳定状态。

1.2 结构总体布置

主桥采用主跨236.015 m（计算跨径）上承式钢桁架拱，主桥长度252 m。全桥桥跨布置为（27+29）m现浇预应力混凝土箱梁+252 m（主桥）+3×40 m先简支后桥面连续预应力混凝土（后张）预制T梁。拱肋采用平面等截面桁架式结构，主桁上下弦杆组合截面中心线位置处计算跨径236.015 m，计算矢高为47.138 m，矢跨比为1/5。拱桁弦杆中心线为悬链线线形，拱轴系数为1.5。桁架拱采用双片主桁，主桁桁高为6.0 m，上、下游两榀主桁平行布置，两片主桁中心间距为10 m。主桁节间长度采用6.0 m，总体布置图如图1所示。

图1 桥梁总体布置图

拱上立柱采用箱形钢立柱，盖梁采用箱形钢制盖梁。

2#拱座采用扩大基础形式，3#拱座基础采用沉井+桩基础的组合基础形式。

主桥桥道系结合梁采用钢梁高度1.6 m，预制板跨中厚度0.2 m，根部厚度0.3 m的形式。横向采用四片钢梁，预制板与钢梁之间通过现浇C50钢纤维混凝土及栓钉结合。

主桥采用全推力上承式无铰拱，在分界墩及拱上立柱均采用HDR高阻尼隔震橡胶支座。

1.3 结构设计特点

（1）针对右岸基础覆盖层的情况，主拱采用钢桁架拱，减轻拱圈自重并增大结构刚度，从而减小桥梁结构水平推力，同时，终点侧拱座采用沉井+桩基础的组合基础。

（2）拱上立柱采用钢结构、上部结构采用钢混组合梁，减轻上部结构自重并增加结构延性。

（3）全桥均采用高阻尼支座。

1.4 抗震措施

该桥设置抗震措施如下：

（1）对现浇箱梁、预制T梁梁底设置横向挡块，并加大尺寸。

（2）加大墩顶平面宽度，防止落梁。

（3）设置上部结构梁体纵向橡胶垫块。

（4）横桥向在梁底挡块与墩身之间设置减震橡胶垫，以吸收地震水平力，降低地震力对挡块的破坏。

（5）全桥采用高阻尼橡胶支座，减小地震破坏力。

（6）高度大于7 m的柱式墩设置横系梁，并在系梁区域的墩柱箍筋加密。

（7）所有墩柱柱顶、柱脚箍筋加密，并增加主筋的锚固长度。

（8）梁桥活动支座采取限制其竖向位移的措施。

（9）在连续梁联端及钢－混结合梁联端、预制简支T梁各跨的跨端设置纵向限位措施。

2 有限元模型及动力特性

2.1 有限元模型

采用Midas Civil空间梁单元、板单元建立全桥空间有限元模型。主桥上部钢板组合梁的纵、横梁采用梁格模拟，桥面板采用板单元模拟，其余结构均采用梁单元进行模拟。全桥共有节点3 293个，梁单元3 957个，板单元336个。建模时考虑桩土效应，各层土对桩基的作用采用“土弹簧”方式模拟，根据《抗震规范》钢结构拱桥阻尼比采用0.03。全桥有限元模型如图2所示。

图2 全桥有限元模型

Midas Civil软件可提供的抗震分析方法有反应谱法和非线性时程法。反应谱法以静力的方法求解，在弹性状态下其能够提供一定准确度，但该项目设有高阻尼减隔震支座，需进行非线性时程分析，同时，根据规范[5]拱桥属于非规则桥梁，其对竖向地震作用较为敏感，抗震计算时需要考虑竖向地震作用。为精确考虑拱桥在地震作用下的三个方向耦合效应，该次计算采用非线性时程分析计算方法[6]。

非线性时程计算所采用的人工地震波由《工程场地地震安全性评价报告》提供。

2.2 边界模拟

（1）0#、6#桥台滑动支座按照双折线模型处理[5]。

（2）其余高阻尼橡胶支座按照双线性模型处理[5]。

（3）2#拱座基础置于中风化白云岩之上，模型采用固结边界。

（4）1#、3#、4#、5#墩台均考虑桩－土约束。其中，3#拱座为沉井+桩基础组合基础，对基础附近岸坡进行稳定性分析时，发现基础桥梁基础附近土体水平位移较大，且随深度减小，影响范围约20 m。因此，为偏于安全考虑，沉井深度23 m范围内的土体对基础的约束均不计，从桩顶开始模拟土弹簧。

2.3 动力特性

桥梁自振特性采用多重Ritz向量法，为确保在纵、横、竖向有足够振型的参与计算，从而确保计算结果的准确性，结构在3个方向的振型参与质量均应不低于90%。

该桥第1阶振型为主桥横弯，第2阶阵型为主桥纵漂，表明该桥纵、横向刚度较小，该振型对纵向地震力贡献较大；扭转振型首次出现于第4阶，振动模态为拱、梁均出现扭转，表明该桥整体扭转刚度相对较弱。而出现该种情况的主要原因为主梁位于拱肋以上，主梁在纵横向整体处于单悬臂状态，同时由于该桥的宽跨比较小，整体的横向刚度较弱，因此，在进行结构设计时应加强纵横向刚度设计，拱上立柱在横向采用交叉网格方式，拱上主梁采用桥面连续方式，使结构在纵向整体性更强；主拱采用桁架式，竖向刚度大，主梁采用钢混组合结构，其竖向刚度相对于简支钢箱梁有较大提高。