石佳明

（中交城鄉(xiāng)建設規(guī)劃設計研究院有限公司，湖北 武漢 430050）

0 引言

我國存在多個地震多發(fā)地區(qū)，為了減少地震帶來的不利影響，我國在橋梁設計中非常重視橋梁抗震性能的設計，特別是針對長聯(lián)多跨連續(xù)梁橋梁，如果忽視地震對橋梁和周邊環(huán)境的影響，勢必會給橋梁的使用帶來安全風險[1]。

在常規(guī)設計方法中，通常是在橋梁橫跨的中間位置設置固定墩，地震荷載經(jīng)由固定墩來釋放。當?shù)卣鸢l(fā)生時，墩和其基礎會受力過大，容易導致橋梁墩開裂的情況，嚴重時可能會造成橋梁斷裂，從而造成極大的安全隱患[2]。本文以某長聯(lián)大跨橋梁為例，從抗震設計的要點以及地震主要受力的位置設計了兩種橋墩和橋梁的連接手段：單墩固定和雙墩固定，在實際應用中則需根據(jù)橋梁所處位置的地震帶情況選擇符合抗震需求的設計方案，為橋梁建設提供支持。

1 某長聯(lián)大跨復雜橋梁工程概況

某長聯(lián)大跨復雜橋梁為多跨連續(xù)空腹式拱形連續(xù)結構，為了充分了解抗震性能和橋墩的關系，選取最長聯(lián)部分為計算部分。橋梁下部結構采用三柱式橋墩，混凝土強度等級為C40，固定墩采用3m（順橋向）×2.5m（橫橋向）的矩形橋墩，縱筋直徑32mm，間距10cm，箍筋直徑16mm，橋墩間距6.75m；下接承臺為矩形承臺，群樁基礎，樁徑1.5m。采用模數(shù)式D360 伸縮縫[3]。

2 減隔震方案設計

2.1 單墩固結方案

方案一：摩擦擺支座+黏滯阻尼器（單墩固定）。每個支座均布置阻尼器。支座參數(shù)見表1所示。

表1 方案一的支座參數(shù)

方案二：鋼支座（邊墩）+高阻尼橡膠支座（中墩）（單墩固定），具體參數(shù)見表2所示。

表2 方案二的支座參數(shù)

方案三：鋼支座（中支座）+高阻尼橡膠支座（邊支座）（單墩固定），兩種支座選型均與方案二相同，具體見表3所示。。

表3 方案三的支座布置

2.2 雙墩固結方案

雙墩固結方案4～方案6的支座布置如表4～表6所示，7#、8#雙墩為固定墩，各方案的支座選型參數(shù)不變［4］。

表4 方案四的支座布置

表6 方案六支座布置

方案四：摩擦擺支座+黏滯阻尼器（雙墩固定）。

方案五：鋼支座（邊墩）+高阻尼橡膠支座（中墩）（雙墩固定）。

方案六：鋼支座（中支座）+高阻尼橡膠支座（邊支座）（雙墩固定）。

表5 方案五的支座布置

3 減隔震方案設計及抗震效果分析

3.1 溫度和伸縮縫設置

本案例中的長聯(lián)大跨橋梁處于我國的東北部寒冷地區(qū)，且橋梁的聯(lián)長、跨度較長，所以需要嚴格考察支座方案設計；溫度也會影響到橋梁結構的應力分布，應重視伸縮縫的設置和分布間隔?？梢阅M環(huán)境溫度變化，采用整體升溫和降溫的方式分析伸縮縫位移和力的關系，以確定伸縮縫設置。根據(jù)該地區(qū)實際情況，選擇合適的設計方案[5]。采用單墩固定方式或雙墩固定方式，應在溫度一致的情況下，主要考慮的是伸縮縫的位移的區(qū)別，以選擇合適的固定方案。

經(jīng)過計算后確認單墩固定方案中的一號方案位移最大，內(nèi)力最小；單墩固定的二號方案和雙墩固定的五號方案的伸縮縫的位移較大，最大內(nèi)力則相對較小[6]；三號方案和六號方案的位移較小。內(nèi)力最大但是結果顯示并不是最有效的，根據(jù)伸縮縫的寬度和設置方面考慮，雙墩方案更加保險。

3.2 地震作用下橋梁結構動力響應分析

本文建立了某長聯(lián)大跨橋梁的模型，并根據(jù)其周邊地理條件設置了地震參數(shù)，利用非線性動力時程來確認地震發(fā)生后對橋梁的影響。將單墩和雙墩固定的6種減震方案模擬在橋梁中進行分析，從而確認這6種方案的減震效果。

另外，鑒于本次研究對象位于寒冷地區(qū)，混凝土自身會發(fā)生收縮反應，溫度形變較大，因此需考慮到溫度降低產(chǎn)生的附加力[7]。

具體以某長聯(lián)大跨橋梁為研究對象并分析地震發(fā)生時，不同的方案均選擇了固定墩（7#、8#墩）為研究對象，并根據(jù)他們的支座響應和墩底響應來確認伸縮縫位移情況。模擬了4級地震的情況后，根據(jù)6種減震方案來判斷支座的參數(shù)。

首先根據(jù)順序確保橋向的支座位移和受力小于最大值，同時橫橋向也在范圍之內(nèi)，且墩支座位置依然處于完好狀態(tài)[8]。

但這一過程中個別方案出現(xiàn)臨界值的情況，例如方案二的順橋方向的受力較大，雖然沒有超過允許值，但是由于數(shù)值和臨界值較為接近，因此該方案的科學性有待商榷。而方案一和方案四的各項參數(shù)均在正常值范圍內(nèi)并和允許值差別較大，因此不做考慮。

為了更好地體現(xiàn)各個減震方案的效果，選擇橋梁墩底彎矩和所受的剪力作為分析對象。通過計算減震率來判斷是否能在地震來臨之時發(fā)揮最佳效果，預防橋梁受損，計算減震率的公式為：

減震率=（常規(guī)方案橋梁地震反應-減隔震方案橋梁地震反應）/常規(guī)方案橋梁地震反應×100%。

利用上式計算獲取六種方案的減震率及抗震效果，見表7。通過表7數(shù)據(jù)分析，對六種方案的減震效果進行分析比較，從而確定最優(yōu)的橋礅固定方案。

表7 六種方案的減震率計算結果

（1）雙墩固定方案相較單墩固定方案更有優(yōu)勢，前者的受力較為分散，所以抗剪力的能力大大提升，同時分擔地震波以及反應的條件讓減震率更高，根據(jù)6種方案的比較也可以確認這一特性。另外，通過抗震結果分析可知，五號、六號方案面對大地震時的減震效果較佳，減震率可達一半以上，比起單墩固定方案，雙墩固定方案在減少橫向地震性能更優(yōu)。所以雙墩固定支座方案更加適合。

（2）在以上方案中，摩擦擺和阻尼器協(xié)同工作的方案最佳。從抗震結果分析可知，雖然一號和四號方案的減震率更好（超過了79%），但是該方案具有很大的缺點：阻尼器雖然可以很好地完成工作，但這一設備目前密封技術尚不完善，難以杜絕漏油現(xiàn)象，一旦漏油，每次維護需要耗費的大量的人力和物力。另外，該方案需要設置更寬的伸縮縫，不利于橋梁的整體性。所以想要將以上方法用于實踐，仍然有很多難題需要攻克。

（3）高阻尼橡膠支座方案減震效果比較好，在后期的養(yǎng)護中耗費的人力和物力都相對較少，相較其他方案成本降低了很多。并且根據(jù)方案二、方案三，方案五、方案六顯示，是否開放邊排支座對于橋梁抗震來說區(qū)別并不是很大，但若從伸縮縫的問題考慮，則不是特別適用于實際的橋梁施工。因此方案三和方案六更適合實際工程需求。

總體而言，方案六更適合于該長聯(lián)大跨復雜橋梁設計。具體表現(xiàn)為：和其他方案比較，該方案的伸縮縫位移比較適合實際施工，減震效果較優(yōu)，最重要的是建設成本和維護成本都很低。

4 結束語

本文通過建立有限元模型，研究分析了長聯(lián)大跨復雜橋梁的減隔震方案，通過六種方案的對比分析，得出了較優(yōu)的抗震設計方案：鋼支座（中支座）+高阻尼橡膠支座（邊支座）的雙墩固定結構，其減震效果及建設維護成本最低，適用于實際的橋梁建設，可為該類橋梁的抗震設計提供參考。