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伊朗德黑兰BR-06L/R特大桥方案设计和抗震计算

作者：张海英,褚彤来源：《科技传播》2011年第06期

摘要本文主要以伊朗德黑兰北部高速公路BR-06L/R特大桥工程为研究案例，介绍了工程桥梁布孔原则、桥型方案比选及抗震分析。

关键词桥型方案；桥型构造；抗震分析

中图分类号U44文献标识码A文章编号1674-6708（2011）39-0155-02

伊朗德黑兰北部高速公路BR-06（L/R）特大桥位于伊朗德黑兰北部山区，桥位处地势陡峭，地面高度变化剧烈，由于本桥位于9度地震区，桥梁抗震设防标准高，桥型方案的选择主要由抗震能力决定。本工程设计荷载采用伊朗桥梁设计荷载规范的标准；桥宽为2m×13.10m；抗震设计采用伊朗抗震规范。采用的主要规范有：伊朗《139公路桥荷载规范》、《伊朗公路、铁路桥梁抗震设计标准》及《美国公路桥梁设计规范》（AASHTO），并参考中国交通部颁布有关公路桥梁设计与施工规范。

1桥型设计方案及构造

桥梁设计桥型方案上考虑了3种方案，现浇刚构、现浇连续梁以及连续梁+刚构组合结构。由于本桥位于9度地震区，桥型方案的选择主要由抗震能力决定，设计中分别对以上3种方案进行地震动力分析，择优选择最佳方案作为施工图变更设计方案。

1.1方案一：83m+150m+83m连续刚构

上部箱梁为单箱单室预应力混凝土箱梁，三向预应力混凝土结构。箱梁顶面横坡与路线横坡一致，箱梁底面水平。箱梁顶宽13.1m，底宽6.5m，顶板厚0.28m，悬臂长3.25m。合拢段处箱梁中心高度为3.0m，底板厚0.28m；0号块处箱梁中心高为8.5m，底板厚0.9m；腹板厚0.5m~0.7m。

下部桥墩采用空心薄壁墩，墩身与上部箱梁固结。由于1#、2#桥墩高差较大（1#桥墩墩高32m，2#桥墩墩高64m），为使两桥墩墩顶处刚度接近，根据桥墩高度，1#桥墩纵桥向宽5m，壁厚0.70m；2#桥墩纵桥向宽7.0m，壁厚0.90m；两桥墩横桥向宽度均为8.0m。1#桥墩采用扩大基础，基底置于完整基岩上；2#桥墩采用8根直径2.2m的群桩基础，按嵌岩桩设计。由于该桥桥位处地震烈度较高，经计算分析表明，在两桥台处设置粘滞性阻尼器可显著降低地震作用，提高结构抗震性能，故本次设计中参照原施工图设计，单幅桥每个桥台处需安装

4个阻尼器，即全桥共计采用4×4=16个阻尼器。阻尼器产品设计参数建议采用C=3000,ξ=0.3，每只阻尼器的设计最大阻尼力±2500kN。主梁及桥台的构造尺寸按照KZ-2500S×650X型阻尼器预留。在桥台上设置2个单向活动支座（竖向承载力为4000kN，纵向活动）。

1.2方案二：83m+150m+83m连续梁

上部箱梁构造与连续刚构方案（方案一）基本相同。下部桥墩采用空心薄壁墩，壁厚0.7~1.0m。横桥向墩身等宽宽9.00ｍ，纵桥向为变宽，墩顶宽5.0m，向下按50：1放坡。1#桥墩采用扩大基础，基底置于完整基岩上，2#桥墩采用8根直径2.2m的群桩基础，按嵌岩桩设计。由于该桥桥位处地震烈度较高，经计算分析表明，在两桥台处设置粘滞性阻尼器可显著降低地震作用，提高结构抗震性能，故本次设计中参照原施工图设计，单幅桥每个桥台处需安装4个阻尼器，即全桥共计采用4×4=16个阻尼器。阻尼器产品设计参数建议采用C=3000,ξ=0.3，每只阻尼器的设计最大阻尼力±2500kN。主梁及桥台的构造尺寸按照KZ-2500Sx650X型阻尼器预留。在桥墩及桥台上设置抗震型双曲面球形支座。

1.3方案三：83+150+83m连续+刚构组合结构

方案三是方案一与方案二的综合方案。上部箱梁构造同方案一。由于1#桥墩墩高较小，2#桥墩墩高大，1#桥墩墩顶设置支座，2#桥采用墩梁固结方式。两者均采用空心薄壁墩，1#桥墩采用扩大基础，基底置于完整基岩上，2#桥墩采用8根直径2.2m的群桩基础，按嵌岩桩设计。

2桥型方案抗震分析

此次方案设计中分别对前述三种桥型方案进行了抗震分析计算。由于本项目位于9度地震区，桥抗震设防要求高，桥型方案是否可行主要受抗震分析结果控制。在满足结构抗震受力的前提下，选择结构安全、方便施工、节约投资的方案。

2.1抗震设计标准

结合桥位处地震基本烈度，考虑桥梁的结构总要性系数，根据有关规范、标准，选择合适的抗震设防标准将直接关系到工程的投资；通过合理优化结构，采取适当的减隔震措施，本桥的抗震设防标准为“对中、低级的地震（7度以下）做到没有重大损失，在强震（9度以下）时不倒塌”。

2.2抗震分析计算方法的选择

抗震分析计算方法有单振型反应谱法、多振型反应谱法、功率谱法、时程分析法。本桥主跨150m，墩高32m~64m，抗震分析采用非线性时程分析法。

2.3加速度时程的选择

结构的动力反应与结构的自震周期和地震时程输入的频谱成分关系密切，加速度时程的选择直接关系到抗震设计的合理性和可靠性。BR06特大桥位于9度地震区，根据《伊朗公路、铁路桥梁抗震设计标准》其设计地震波加速度动峰值为0.35g；参照美国规范及中国规范，9度地震区设计地震波加速度动峰值为0.40g。故此次抗震分析计算中选用了7条人工合成地震波，其地震动加速度峰值均在0.40g附近，将这7条地震波作为BR06特大桥的设计加速度时程，简称设计地震波。时程分析结果取7组地震波包络值的平均值。在设计地震波作用下，结构发生弹性变形，进行结构的极限承载力验算。

伊朗地震局提供三次实测强震记录，其地震加速度动峰值横波为0.48g~0.796g，纵波为0.505g~0.816g。其值均远大于9度地震区伊朗规范规定的0.35g和美国规范的0.40g。在如此强的的地震作用下仍建结构进行弹性设计是不合适的，故将伊朗提供的地震波作为结构的延性设计验算，结构在此情况下发生塑性变形，但不会完全破坏，经过适当维修后，结构可投入正常使用。取地震局提供的3组地震波对结构作用的最大值（包络值）作为结构塑性区转动能力验算。

伊朗地震局提供的实测强震记录有3次记录，分别为1977年记录的1054-1纵向与横向地震波；1978年记录的1084-1纵向与横向地震波和1990年记录的1362-1纵向与横向地震波。它们的加速度峰值见表1。

地震波号横向纵向

10540.5170.7

10840.7960.816

13620.4870.505

表1地震波加速度峰值

从表中显示的峰值加速度来看，都很高，大于9°~10°，而且纵向大于横向。不同的地震波对结构的作用，除了峰值加速度是一个很重要的因素以外，地震波的频谱成分也十分重要，因此，在后面的计算分析中，对每一条地震波采用非线性时程分析法进行结构的纵、横向抗震性能分析。

2.4结构计算模型

抗震分析中分别对方案一（刚构）、方案二（连续梁）、方案三（连续+刚构）等3种桥型方案建立三维梁单元空间模型，利用空间有限元软件MIDAS7.4进行结构动力特性及抗震性能分析。为方便比较，3种桥型方案的结构单元划分基本一致，全桥上部结构共划分为98个

单元，即1~98号单元为上部结构单元，截面号为1~99；1#桥墩划分为11个单元，分别为201~211号单元，截面号位201~212；2#桥墩共划分为91个单元，分别为301~319号单元，截面号为301~319。详见《结构离散图》。对于双曲面球形减隔震支座的滞回耗能和自动恢复功能，活动支座的摩擦耗能以及固定销剪断后的效应进行了模拟，同时模拟了阻尼器的阻尼耗能作用。1#桥墩基础位于新鲜基岩上，计算时考虑竖向位移及转角均为0，X、Y方向的转动考虑地基变形作用；2#桥墩采用5.结构动力特性

BR-06（L/R）特大桥的设计思想为7度以下作用时，支座正常工作；7度以上（含7度）地震时固定装置剪断后，能快速恢复，经过适当维修，下次地震时，支座仍可安全、重复使用。经验算，在7度以下地震作用时，结构均处于弹性工作状态，下部结构裂缝均小于0.2mm。当地震作用达到9度时，下部桥墩结构裂缝大于0.2mm，但由于地震作用的短暂性，该裂缝在地震作用结束后可自行恢复。

2.5结构抗震分析

结构抗震验算分两阶段进行，第一阶段是对结构进行在设计地震波作用下的抗震验算；当结构满足在设计地震作用下的受力要求时再进行第二阶段的抗震验算，即结构在更强地震作用（伊朗地震局提供的地震波）下的结构延性抗震验算，否则不再进行第二阶段的验算。通过分别对三种方案的抗震特性值、桥墩控制截面内力标准值（设计地震波）、截面顺桥向荷载及荷载组合（设计地震波）、顺桥向验算结果、横桥向验算结果（设计地震波）、主要截面位移进行抗震分析。由验算结果知：第二种方案是可行的。即采用连续梁方案时，在设计地震作用下，1、2号桥墩墩顶、墩底截面顺桥向极限承载力均能满足规范要求；同样在横桥截面极限承载力也能满足规范要求，墩顶、底处发生局部破坏，且修复后可正常使用。由于连续梁方案下部桥墩刚度小，地震等作用产生效应也相对较小，下部桥墩截面尺寸有调整空间，故采用连续梁方案可行。

3结论

BR-06L/R特大桥设计采用错幅布置即满足了被交道净空要求，同时又有效地减少了开挖石方量；对于处于9度地震区的特大桥结构进行了延性设计验算。

参考文献

[1]姚玲森.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，1990.

[2]张士铎.桥梁设计理论[M].北京：人民交通出版社，1983.

