全预制拼装匝道桥梁减隔震设计研究

□文/程永欢

近年来，随着交通运输压力日益增大，为缓解施工期间对周围交通及周边居民生活环境的干扰，缩短施工时间，快速、绿色施工成为城市桥梁建设面临的迫切需求，全预制拼装桥梁施工技术应运而生并在国内迅速推广。目前上海、长沙、成都、绍兴、长春等地都在大量采用全预制拼装桥梁施工技术。经过长期的发展，桥梁上部结构的装配化设计技术已经非常成熟，全预制拼装桥梁需要解决的是下部结构的预制及连接问题，而下部结构抗震性能的研究是关键问题之一。

中新天津生态城航海道跨海滨大道连接力高匝道桥工程为天津首座采用预制拼装技术设计施工的桥梁。工程位于抗震烈度8度区，具有高地震烈度、滨海环境、软土地基等特点，对桥梁抗震设计较为不利，因此对其进行抗震性能分析具有重要的意义。本文以该工程为背景，选择代表性联桥梁结构进行地震响应分析并进行减隔震设计。

1 工程概况

中新天津生态城航海道跨海滨大道连接力高匝道桥工程包含WN及NW 两条新建匝道。匝道上部结构标准段采用20 m先简支后桥面连续小箱梁，跨线桥部分采用连续钢箱梁结构；下部结构主要采用独柱接盖梁柱式墩和设系梁的双柱墩两种形式，立柱尺寸为1.8 m×2.0 m，采用钻孔灌注桩群桩基础。桥墩采用全预制拼装工艺进行施工，立柱与盖梁和承台之间采用灌浆套筒进行连接。

根据地质勘察报告，拟建场地抗震设防烈度为8度，地震动峰值加速度为0.20g，设计地震分组为第二组。拟建场地为Ⅳ类建筑场地，地基土类型属软弱土。桥梁抗震设防类别为丙类，E1地震作用下抗震重要性系数取0.46，E2地震作用下重要性修正系数取2.0；抗震设计方法为A类；抗震措施按照9度设防。

2 有限元模型

2.1 模型

采用MIDAS Civil 程序建立本桥的有限元模型。模型中，主梁、桥墩、桩基均采用梁单元进行模拟；桥面铺装、护栏、横隔板等荷载以梁单元荷载的形式施加在主梁单元上并将荷载转化为质量，以考虑其对结构动力特性的影响；采用土弹簧考虑桩土的共同作用。见图1。

图1 动力计算模型

2.2 支座模拟

支座的模拟分为两个阶段：第一阶段采用普通球形钢支座，一般支撑的形式施加约束，运用反应谱方法进行试算；第二阶段根据试算结果采用减隔震支座进行减隔震设计，采用非线性时程分析方法进行地震响应分析。

减隔震支座采用弹塑性钢阻尼支座。该类型支座将普通的球形钢支座与弹塑性钢阻尼器相结合，既实现了常规支座承载、转动和滑动的功能，同时在地震时又可以利用弹塑性钢阻尼器耗散地震能量，达到减隔震的效果，避免结构发生地震破坏。弹塑性钢阻尼支座具有外型美观、耗能能力强、耐久性好、维护成本低等优点，在桥梁减隔震设计中应用较为广泛。见图2。

图2 弹塑性钢阻尼支座

弹塑性钢阻尼支座的弹塑性钢阻尼器和支座摩擦力可以分别简化为双线性恢复力模型和双线性理想弹塑性恢复力模型。见图3和图4。

图3 弹塑性钢阻尼器双线性恢复力模型

图4 支座摩擦力双线性理想弹塑性恢复力模型

2.3 地震动输入的确定

根据文献[1]的相关规定，结合本工程的场地特点确定本桥水平方向设计加速度反应谱，见图5。

图5 E1及E2水准下水平向设计加速度反应谱

根据试算结果，结构在E1状态下就将进入弹塑性状态，需要进行减隔震设计。故根据文献[1～2]要求，依据E1、E2水平设计反应谱分别生成三条人工时程波进行非线性时程分析。见图6和图7。

图6 E1水准下三条人工时程波

图7 E2水准下三条人工时程波

2.4 曲线桥梁的地震输入方向

曲线梁桥由于结构轴线随着道路线性不断变化，其动力特性相比规则直线桥梁也有一定差异，地震响应最不利方向，不一定就是全局坐标系的纵向或者横向。对于曲线桥梁的地震输入方向，应按照计算联逐跨的中心连线方向分别纵横向输入并取包络值，以此计算曲线桥梁的地震最大响应[1]。

3 计算与分析

3.1 自振特性分析

桥梁动力特性分析是研究桥梁振动问题的基础，为计算地震作用下结构的动力响应，必须先进行桥梁结构的动力特性分析。本桥自振特性分析采用多重利兹方法，为保证振型阶数在计算方向获得90%以上的有效质量[1～2]，经试算取前100 阶振型。表1 给出结构的前5阶周期以及振型描述。

表1 桥梁结构周期以及振型描述

3.2 地震响应分析及验算

采用E1和E2两种概率水平、阻尼比为5%的设计反应谱对该桥进行抗震性能分析。E1水准地震首先采用弹性反应谱法计算，若支座水平承载力不满足要求，再采用设计反应谱生成的人工时程波进行非线性时程分析；E2水准下由于支座进入非线性状态，直接采用设计反应谱生成的人工时程波进行非线性时程分析。

3.2.1 反应谱分析

选择P7～P10（连续钢箱梁）和P12～P14(小箱梁)两联代表性的结构的地震响应进行E1地震作用下的地震响应分析。见表2。

表2 E1水准下支座地震响应

由表中2可知，固定墩P9、P13墩支座在E1水准地震作用下纵向剪力超过了支座纵向限位力，支座纵向被剪断。所有的支座在E1水准地震作用下的横向剪力基本都超过支座横向水平限位力，支座横向被剪断。因此可判定，计算联在E1水准下已经进入弹塑性状态，需进行非线性时程分析。

3.2.2 非线性时程分析

根据E1、E2水准下反应谱生成的地震波，进行非线性时程分析计算，对支座位移、立柱及桩基承载力进行验算。见图8-图11。

图8 支座位移验算

图9 立柱控制截面承载力验算（纵向）

图10 立柱控制截面承载力验算（横向）

图11 桩基控制截面承载力验算（纵横向组合）

由图8 可以看出，在E1地震作用下，各减隔震支座位移均在设计容许位移之内，满足性能要求；在E2地震作用下，部分支座位移略微超出容许位移，但是超出幅度并不大，考虑到桥梁上设置了弹塑性限位装置，当支座位移接近容许值时，限位装置也将发挥协同作用，主梁基本不会产生落梁风险，因此可以认为满足性能要求。

由图9 和图10 可以看出，在E1地震作用下，所有桥墩轴力均为压力，桥墩立柱纵向和横向的弯矩值均小于初次屈服弯矩，立柱受力均在弹性受力范围。在E2地震作用下，除P7 桥墩外，其余墩柱弯矩均小于初次屈服强度，均在弹性工作范围。而P7 墩弯矩略微超过初次屈服强度，小于等效屈服强度，此时截面可能发生轻微损伤，结构整体反应基本还在弹性范围，可以认为满足抗震性能要求。

由图11 可以看出，在E1水准地震作用下，桩基均处于受压状态，弯矩均小于初次屈服强度，桩基构件受力均在弹性受力范围，满足规范要求；在E2水准地震作用下，大部分桥墩的桩基会出现拉力，但拉力不大，弯矩均小于等效屈服强度，桩基构件受力均在弹性受力范围，满足规范要求。

4 结论与展望

综合以上分析可以看出，本工程采用常规球形钢支座，桥梁抗震性能无法满足规范要求。采用减隔震设计后，E1地震作用下，支座剪力销就会剪断，进入弹塑性耗能工作状态。但基础、桥墩等还处于弹性状态，不会发生破坏，满足结构震后立即使用的抗震性能目标要求。E2地震作用下，支座位移满足容许值要求；墩柱，基础等处于弹性状态基本无损伤，满足该水准下的抗震性能目标要求。

本工程通过减隔震设计，桥梁结构可以满足相关抗震设计规范要求，进一步说明在滨海、软弱土场地环境、高烈度地区采用全预制拼装桥梁结构是可行的，可以为同类桥梁的设计提供一定的依据。□■