高烈度区多跨混凝土连续梁桥抗震设计研究

种博肖

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600)

1 引言

预应力混凝土连续梁桥因其整体刚度大、伸缩缝少、经济指标低等优势，成为高速铁路桥梁首选的结构形式。高烈度地区多跨长联预应力混凝土连续梁桥设计尚有多项关键技术有待深入研究。文献[1]阐述了控制高速铁路连续梁桥设计的关键因素；文献[2－3]论述了多跨连续梁抗震及减隔震设计技术；文献[4－5]分析了我国铁路连续梁桥延性设计方法。

我国«铁路工程抗震设计规范»对中小跨径梁式桥抗震设计要求进行了详细规定，在多遇地震下进行强度检算，设防地震采用抗震构造措施，罕遇地震作用下通过控制位移进行延性设计。而对长联多跨连续梁的抗震设防标准及抗震设计方法等重难点问题阐述不全。高烈度区高速铁路多跨长联连续梁桥，如果仅通过提高强度进而提高桥梁的抗震设防能力，不仅造成不必要的建设成本增加，且设计偏于不合理。

本文以中卫至兰州客运专线靖远黄河特大桥主桥多跨预应力混凝土连续梁桥为研究对象，对该桥的桥式布置、抗震及减隔震技术等设计关键点进行深入分析论述。

2 工程概况

靖远黄河特大桥是中兰客专控制性工程，位于甘肃省靖远县长尾滩，桥高41 m，桥梁轴线的法线与黄河水流方向夹角为9°。桥位处河水较缓，水面宽约180 m，通航等级为Ⅴ级。桥址区地貌属黄河河谷地区，地形起伏较小，黄河从中流过，地层以细圆砾土、粗圆砾土、砂岩为主，岩体较完整。

为满足防洪和通航对跨越黄河的要求，最大化降低对河道行洪的影响，并综合考虑黄河河床历史演变规律复杂等因素，本桥两个水中墩仍有撞船的风险，靖远黄河特大桥采用(70＋104＋128＋104＋70)m多跨连续梁跨越黄河主河道，采用(60＋60)m T构跨越黄河快速路，主桥立面布置见图1。

图1 靖远黄河特大桥立面布置(单位:cm)

中兰客专线路等级为双线高速铁路，线间距4.6 m，采用有砟轨道，设计活载为ZK活载。靖远黄河特大桥跨越黄河河道的通航等级为Ⅴ级，航道立交要求净宽80 m、净高8.0 m。根据靖远黄河桥场地地震安全性评价结果，桥位处50年超越概率10%情况下(设计地震)最大地震动峰值加速度为0.34 g，地震动反应谱周期为0.55 s。

3 结构设计

靖远黄河特大桥(70＋104＋128＋104＋70)m多跨连续梁主梁采用单箱单室、变高度、变截面预应力混凝土结构。箱梁顶宽12.2 m，底宽6.4 m，采用直腹板形式。边跨和跨中直线段梁高5.0 m，中支点处梁高9.6 m，次中支点梁高7.6 m。主梁设计为纵、横、竖三向预应力体系。主梁采用挂篮悬臂浇筑施工，在中支点及边支点部分梁段采用支架现浇施工。主梁中支点断面见图2。

图2 主梁中支点断面(单位:cm)

本桥每个桥墩墩顶横向设置2个支座，支座吨位分别为11 000 kN、40 000 kN和60 000 kN。边墩支座横向间距为4.8 m，次中墩和中墩支座横向间距均为5.5 m。

各墩均设计为圆端形空心墩，墩身内外壁纵横向设置放坡。主墩高32.0 m，墩顶尺寸为(5.5×12.6)m(顺桥向×横桥向)，承台尺寸(顺桥向×横桥向×厚度)为(15.0×18.2×4.5)m。基础采用钻孔灌注桩基础，主墩基础设计为20根ϕ1.8 m钻孔灌注桩，次中墩设计为18根ϕ1.8 m钻孔灌注桩，交接墩设计12根ϕ1.5 m钻孔灌注桩。主墩基础采用双壁钢围堰施工。

4 动力特性分析

采用大型计算分析软件MIDAS Civil建立空间有限元模型，对全桥进行动力特性及抗震性能分析。全桥模型为1－32 m简支梁＋(60＋60)m T构＋(70＋104＋128＋104＋70)m连续梁＋1－32 m简支梁，共计890个节点、530个单元。计算模型采用梁单元模拟主梁、墩柱及承台，考虑桩基础结构形式及桩周土层力学性质对结构刚度的影响，采用6个自由度的弹簧刚度矩阵模拟桩基与土的相互作用，弹簧刚度数值根据“m”法确定，空间计算模型见图3。

图3 主桥空间计算模型

成桥状态动力特性见表1和图4，桥梁基频为0.442 Hz，最小自身频率对应模态为一阶纵飘，表明在结构各向刚度中，主梁纵向刚度最弱。

表1 成桥状态结构动力特性

图4 连续梁振型

5 抗震设计分析及方案比选

高烈度区高速铁路桥梁抗震设计内容主要包括:抗震设防目标确定、抗震计算参数选取以及合理抗震设计方案的制定[6]。

5.1 抗震设防目标确定

多跨长联连续梁桥由于联长、梁部质量大而导致地震效应明显。鉴于靖远黄河桥在中兰客专的重要性和抢修难度，大桥在罕遇地震作用下需要满足“大震不倒”的抗震设防目标，并保证震后基本通行功能。在结构具体计算时取用原则为[7]:

(1)按多遇地震50年超越概率63.2%的地震动参数检算结构物的强度，并考虑重要性系数1.5(水平地震动峰值加速度Amax＝0.114 g)。

(2)按照设计地震50年超越概率10%的地震动参数加强结构抗震构造措施(水平地震动峰值加速度Amax＝0.340 g)。

(3)按罕遇地震50年超越概率2%的地震动参数验算上、下部结构连接构造的位移，并按照极限强度控制桥墩及基础强度设计(水平地震动峰值加速度Amax＝0.650 g)[8]。

5.2 抗震设计参数选取

根据«新建中卫至兰州客运专线工程场地地震安全性评价报告»，本桥桥位处场地类别为Ⅱ类，设计地震动加速度反应谱计算公式取为:

式中:Amax为设计地震动峰值加速度；β(T)为设计地震动加速度放大系数反应谱；T为反应谱周期；βm为放大系数反应谱最大值；T2为周期拐点；Tg为反应谱特征周期，式中各参数按表2取值。

表2 中兰线靖远黄河桥场地水平向设计地震动参数

靖远黄河特大桥时程分析采用地震安评报告提供的罕遇地震加速度时程曲线，计算采用三组时程曲线，并取其结果的最大值，各组时程曲线见图5。

图5 罕遇地震作用下三组时程曲线

5.3 硬抗设计方案

铁路桥梁合理抗震设计方案一般有两种:一种是基于强度的硬抗抗震体系，另一种是基于延性的减隔震体系。不管采用哪种抗震设计方案，都需要具备两个基本特征:一是传力路径不间断，二是保持桥梁结构整体性[9]。因此，结构既要具备合理有效的抗震单元(如墩柱塑性铰、减隔震装置等)，又要有足够的强度并采取有效的连接措施(如设置纵向限位器、横向挡块等)。对靖远黄河特大桥主桥进行这两种抗震设计思路的对比工作，以寻找本桥最合适的抗震设计方案。

基于强度的抗震设计原则是全联地震效应均由固定墩承受，按照刚性抗震设计理念，则需要增大结构尺寸、加强墩柱配筋等途径来满足抗震设防要求，不仅造成建设成本提高，且设计趋于不合理。本桥采用减隔震设计方案，利用减隔震支座及粘滞阻尼器共同减小地震力，并最大化控制地震力作用下梁体位移[10]。

5.4 减隔震设计方案

减隔震技术应用在桥梁结构中，可大大削弱地震力的作用，进而减小下部结构尺寸，降低造价。同时可有效减轻结构遭遇强震时的破坏程度，显著提高结构安全性。桥梁减隔震措施主要有两种:一是采用减隔震支座，增加结构的延性，有利于耗散地震能量，以保证震后桥梁不会整体倒塌，修复相对容易；二是采用粘滞阻尼器，以控制梁体过大变形，从而减小结构位移，降低结构动力加速度[11]。

结合铁路桥梁的设计特点，靖远黄河桥减隔震设计综合设置了双曲面摩擦摆减隔震支座和液体粘滞阻尼器。双曲面摩擦摆减隔震支座在正常使用状态(非地震时)，既能保证可靠传递结构竖向和水平荷载，又能保证支座转动和位移不受约束。在地震工况下，支座的限位装置失效，限位方向发生滑动，结构基本周期增大，从而减小地震力效应。这类支座内部设置球铰，可实现多方向转动，以提供结构自复位能力，促使上部结构回到初始状态。

液体粘滞阻尼器是一种速度耗能装置，产生的阻尼力与速度和温度有关。阻尼器不改变结构自振周期，仅通过提供附加刚度和阻尼的方式，有效降低震后结构位移量。阻尼器的安装具有方向性，靖远黄河特大桥每墩设置2个150 t阻尼器，与顺桥向成45°设置。阻尼器的制作加工精度要求高，缺少自复位功能，一般需要配合支座使用[12]。

对靖远黄河桥进行罕遇地震作用下时程分析，双曲面摩擦摆减隔震支座采用Midas有限元程序提供的摩擦摆单元模拟，计算时需要考虑地震力作用下的滑动摩擦效应和非线性效应；粘滞阻尼器采用阻尼单元进行模拟，两者计算参数见表3。

表3 减隔震支座及阻尼器参数

双曲面摩擦摆支座设置剪切销，剪切销剪断力按1.05倍多遇地震水平剪力控制。多遇地震作用下，抗剪销未被剪坏，减隔震装置未发挥作用；罕遇地震作用下，抗剪销被剪断破坏，支座沿球面发生摆动，减隔震系统发挥作用，地震力有效减小。

图6对比了罕遇地震作用下三种设计方案顺桥向墩底内力响应。罕遇地震作用下，同时采用减隔震支座和阻尼器，交接墩剪力减隔震率为26.34%，固定墩剪力减隔震率达82.04%；交接墩弯矩减隔震率为36.06%，固定墩弯矩减隔震率达86.58%。采用减隔震方案设计明显减小了固定墩地震内力响应，为桥墩和基础结构尺寸优化提供了有利条件。

罕遇地震作用下，靖远黄河桥采用普通支座时，梁端纵向位移量为538 mm；仅设置减隔震支座时，梁端位移量为219 mm；同时设置减隔震支座与粘滞阻尼器时，罕遇地震作用下支座位移量仅为152 mm。分析表明，同时设置减隔震支座与粘滞阻尼器，罕遇地震作用下梁端位移量可以得到有效控制。

6 结束语

以中卫至兰州客运专线靖远黄河特大桥主桥(70＋104＋128＋104＋70)m多跨预应力混凝土连续梁桥为工程背景，对大桥抗震及减隔震设计关键技术进行研究比选，得出主要结论如下:

(1)高烈度区多跨长联连续梁桥，采用基于强度的硬抗设计方案，固定墩承受全联梁部地震力，导致受力过大，结构设计偏于不合理。

(2)通过采用合理的减隔震技术，可以有效减轻桥梁结构遭遇强震作用时的破坏程度，显著提高结构安全性。