朱 強， 高文軍， 鄭萬山

(1.廣州市南沙區(qū)建設(shè)中心， 廣州 511458； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司， 重慶 400067)

在2008年汶川地震中，垮塌的拱橋主要是圬工拱橋[1]，由于震區(qū)大跨度鋼桁架拱橋較少，大跨度拱橋震害分析主要針對鋼筋混凝土拱橋和鋼管混凝土拱橋，對大跨度的拱橋震害資料較少。而日本在歷次強地震中鋼桁架拱橋都發(fā)生了不同程度震害，如1995年阪神大地震(M7.3)中，主跨214 m的雙層下承式鋼拱橋(Rokk-Island Bride)的風(fēng)撐發(fā)生屈曲[2-3]；1978年宮城大地震(M7.4)中，建于1959年的Tennoh大橋的風(fēng)撐也發(fā)生了損傷；在2011年日本東部大地震(M8.9)中，同一構(gòu)件又受到了嚴(yán)重?fù)p壞，頂部和底部風(fēng)撐均發(fā)生了斷裂和屈曲[2,4-5]。

近10年來我國大跨度鋼桁架拱橋發(fā)展迅速，先后建成了主跨552 m的重慶朝天門長江大橋、主跨 2×336 m的京滬高速鐵路南京大勝關(guān)長江大橋以及主跨400 m的珠海橫琴二橋等，國內(nèi)學(xué)者針對大跨度拱橋分別采用振動臺進(jìn)行抗震試驗研究[6]，以及布置阻尼器[7-10]、TMD[11]、雙曲面球型支座[12]、防屈曲支撐[13]和加裝限位耗能裝置[14]等進(jìn)行了減隔震分析。本文以某大跨徑中承式鋼桁架拱橋為例，采用反應(yīng)譜法和非線性時程法研究了普通球型支座、粘滯阻尼器和雙曲面球型支座3個抗震方案的抗震性能。

1 概況

1.1 結(jié)構(gòu)概況

該橋為(96+164+436+164+96+60) m的中承式6跨連續(xù)鋼桁拱橋，全長1 016 m。主拱為三主桁鋼桁梁結(jié)構(gòu)，桁間距18.1 m，全橋基本節(jié)間距為12 m，在主墩頂拱腳處由于桁高較高，部分區(qū)段采用14 m節(jié)間。邊桁拱頂至中墩支點高度為109 m，拱肋下弦線形采用二次拋物線，其矢高98 m，矢跨比為 1/4.45。

大橋下部27#、28#墩為主墩，采用整體式實心墩，其余邊墩和輔助墩采用鋼筋混凝土空心墩，頂部用4 m高系梁連接，墩底設(shè)置2.5 m高系梁。大橋整體布置如圖1所示。

(a) 大橋立面布置

(b) 大橋主墩橫向構(gòu)造

(c) 邊墩和輔助墩橫向構(gòu)造

1.2 計算模型

大橋計算模型采用Ansys7.0軟件建模，同時考慮了引橋的抗震聯(lián)合影響。其中主桁架、墩、樁基等用梁單元模擬，吊桿用索單元模擬，支承連接條件采用和支座參數(shù)相符的連接單元模擬。結(jié)構(gòu)二期恒載采用集中質(zhì)量法轉(zhuǎn)化為質(zhì)點單元加載到相應(yīng)的主桁架節(jié)點上。計算模型如圖2所示。

圖2 有限元計算模型

1.3 設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和地震動參數(shù)

根據(jù)CJJ 166—2011《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》[15]，大橋抗震設(shè)防分類為甲類，相應(yīng)的E1和E2地震重現(xiàn)期分別為475年和2 500年。根據(jù)規(guī)范要求，該橋設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為主橋E1地震作用下，結(jié)構(gòu)不受損壞，無需修復(fù)可繼續(xù)使用；在E2地震作用下局部可發(fā)生輕微損傷，地震發(fā)生后，基本不影響車輛通行。

2 減隔震設(shè)計方案

2.1 方案設(shè)計

為研究不同減隔震方案的減震效果，針對大跨度鋼桁架拱橋的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了3種不同的抗震方案。其中，方案1(原設(shè)計方案)采用了普通大噸位球型支座，P28邊桁架設(shè)置單向(縱向)固定球型支座，中桁架設(shè)置雙向固定球型支座，其余橋墩邊桁架設(shè)置雙向活動球型支座，中桁架設(shè)置單向(縱向)活動支座；方案2在P27墩每片桁架設(shè)置1個縱向阻尼器連接桁架與橋墩，通過阻尼器的耗能能力降低大橋整體結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，阻尼器的阻尼系數(shù)C取 3 000 kN/(m/s)n，速度指數(shù)n取0.3，其余支座設(shè)置同方案1。方案3全橋設(shè)置雙曲面球型支座，性能滿足文獻(xiàn)[1]要求，支座在抗震分析中的主要參數(shù)見表1。

表1 雙曲面球型支座主要參數(shù)

2.2 分析工況

本文主要研究大跨度鋼桁架拱橋不同減隔震措施減震效果，因此僅對E2地震作用下橋墩和支座的地震響應(yīng)進(jìn)行分析。因方案1采用球型支座，整體結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，因此對方案1進(jìn)行E2地震作用的反應(yīng)譜分析；方案2和方案3屬于非線性結(jié)構(gòu)，采用非線性時程分析方法計算結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，使用3組人工地震波，分別按縱向和橫向輸入。非線性時程分析結(jié)果取3組人工地震波計算結(jié)果的最大值。人工地震波反應(yīng)譜和E2地震作用反應(yīng)譜的對比如圖3所示。

圖3 人工波反應(yīng)譜和E2地震反應(yīng)譜對比

3 計算結(jié)果對比

3.1 方案1計算結(jié)果分析

方案1橋墩內(nèi)力計算結(jié)果見表2，支座計算結(jié)果見表3。從表2、表3可知，由于P28墩設(shè)置了固定支座，在縱向地震作用下，地震力主要作用在P28墩和P28墩上的固定支座處，而相同截面和配筋的P27墩所承受的地震彎矩則非常小，僅為P28墩最大彎矩的0.1倍，在這種情況下對P28墩和樁基設(shè)計較為不利，各墩之間不能協(xié)調(diào)受力，而且對支座的抗震性能要求也較高。在橫向地震作用下，大橋在中墩設(shè)置了橫向固定支座，P27和P28墩的橫向地震力主要作用中墩，2個邊墩不能發(fā)揮應(yīng)有的作用，并且中墩支座所受到的橫橋向水平地震剪力過大，對支座抗震性能要求較高。綜上所述，僅采用普通球型支座的大跨度鋼桁架拱橋的抗震結(jié)構(gòu)體系不能充分發(fā)揮所有結(jié)構(gòu)的抗震性能，地震可能造成局部破壞，因此需對大橋增加減隔震措施來優(yōu)化抗震體系。

表2 E2地震中桁架橋墩底部計算結(jié)果

表3 E2地震中桁架支座受力分析結(jié)果

3.2 方案2計算結(jié)果分析

方案2在P27墩設(shè)置縱向阻尼器后，計算結(jié)果對比見表4、表5。在縱向地震作用下，阻尼器對各墩的影響是不同的，其地震響應(yīng)有增大也有減小。P25和P31墩地震力增大了5%～10%，P26、P29和P30墩地震力減小了6%～15%，P28墩地震力減小了20%，P27墩地震力增大了37%，但同P28相比差別仍很大，各個橋墩所承受的地震內(nèi)力仍然不均勻；此外，在橫橋向地震作用下，阻尼器則不能產(chǎn)生有效的減震作用，不能改善橋墩和支座橫向地震響應(yīng)。

表4 E2縱向地震作用方案2和方案1結(jié)果對比

表5 E2橫向地震作用方案2和方案1結(jié)果對比

3.3 方案3計算結(jié)果分析

方案3全橋采用雙曲面球型支座，計算結(jié)果見表6、表7。在縱向地震作用下，雙曲面球型支座有明顯的減震效果，由于方案1的P25墩地震內(nèi)力較小，故方案3對此墩的減震效果并不明顯。P26、P29、P30和P31墩地震力減小了約5%～16%，P28墩減震效果最好，減震幅值最大達(dá)到了78%，而P27墩雖然從結(jié)果上顯示為增大，是因方案1中P27墩為活動支座，所受上部結(jié)構(gòu)的地震力較小，即使在方案3中地震內(nèi)力增大了80%，P27墩的地震內(nèi)力仍小于P28墩。在橫向地震作用下， P25、P26、P27、P28、P29、P30墩地震力分別減小了6%～25%、71%～83%、78%～83%、81%～84%、52%～74%、19%～41%，P31交界墩則沒有明顯的減震效果，地震力增大了25%，由此可見越接近主墩的墩柱減震效果越好。綜上分析可知，方案3采用摩擦擺支座是最有利于抗震的。

表6 E2縱向地震作用方案3和方案1結(jié)果對比

表7 E2橫向地震作用方案3和方案1結(jié)果對比

4 結(jié)論

本文針對大跨度鋼桁架拱橋的結(jié)構(gòu)特點，對3種不同結(jié)構(gòu)體系的抗震性能進(jìn)行了研究，對比分析采用普通大噸位球型支座、粘滯阻尼器和雙曲面球型支座等3種不同裝置的減震效果，得到如下結(jié)論：

1) 在無減隔震措施時，縱向地震對P28墩和樁基設(shè)計較為不利，橫向地震對P27和P28墩設(shè)計不利，各墩之間不能協(xié)調(diào)受力，且對支座要求較高。

2) 在縱向布置阻尼器后，能改善P28墩縱向地震作用下的受力，但是減震效果不明顯；在橫向地震作用下，阻尼器則不能產(chǎn)生有效的減震作用，橋墩和支座受力未得到改善。

3) 采用雙曲面球型支座時，在縱向地震作用下，摩擦擺支座有明顯的減震作用， P28墩地震力最大減小了78%，在橫向地震作用下，P28中墩地震力減小了81%～84%。因此，采用摩擦擺支座大跨度鋼桁架拱橋的減震效果最好。