复杂结构人行天桥抗震性能分析

1抗震研究内容

为确保主桥在地震作用下具有足够的抗震性能，满足设计预期抗震性能目标，本文将从以下几个方面对该桥展开抗震研究。(1)依据现有设计资料，建立该桥结构的三维空间动力有限元分析模型，包括主桥和主桥两侧的一联引桥。模型正确反映桥梁的结构特性以及梁与墩支座的连接特性。(2)采用有限元模型进行结构的动力特性计算。(3)采用反应谱法和时程分析法研究主桥在E1、E2地震下的地震响应。(4)针对地震响应分析结果，提出合理化的设计方案。采用非线性时程分析法对主桥进行地震响应分析，进而校核地震作用下该方案的抗震性能。(5)对主桥在遭遇地震时的结构安全性做出评价，提出抗震性能研究的结论和建议。

2抗震设防标准及地震动参数

该桥桥位场地抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第3组(特征周期为0.45s)。场地类别为Ⅱ类，处于抗震有利地段。考虑主桥为钢结构，阻尼比取为0.02，确定水平向设计加速度反应谱参数，如表1所示。

3计算模型

根据锦江人行天桥主桥结构的总体布置特点和结构构件的关键参数，采用通用有限元软件MidasCivil建立主桥的空间动力有限元模型，如图2所示。考虑边界联的影响，空间动力有限元模型应包含主桥相邻联引桥。主梁、桅杆、桥墩立柱及桩基均采用梁单元模拟，拉索采用桁架单元模拟。支座布置如图3所示。

4动力特性分析

结构前十阶动力特性参数如表2所示。结构第一阶振型模态图如图4所示。

5构件抗震性能验算

5.1原结构体系非线性时程响应特性。锦江人行天桥主桥设置普通盆式支座时，在E1地震作用下，支座的横向剪力响应较为显著。其中，Z7、Z9支座处的剪力大于竖向承载力的10%，而普通盆式支座的水平承载力为竖向承载力的10%。因此，E1地震作用下支座水平限位装置将被剪断。E2地震作用下，锦江人行天桥主桥的拉索索力小于设计索力，其桥塔、桥墩应力小于钢材屈服强度，且桩基础地震抗弯需求小于等效屈服强度，即以上构件的抗震性能均满足相关规范要求。但在E2地震作用下，支座的剪力较大，横向剪力基本超过设计支反力的20%。其中，Z7、Z9支座处的剪力大于设计支反力的30%。因此，在不改变约束形式的前提下，欲保证E2地震作用下横向固定支座不剪断较为困难。本文采用横向双固定支座和设置减隔震支座［3］两条路径对锦江人行天桥进行抗震设计，使桥梁在正常使用和地震工况下都能达到最优性能。5.2横向双固定支座方案。E2地震作用下，原设计方案中多数支座的横向剪力过大，难以满足抗震性能要求。横向双固定支座即将原方案每个墩位处设置1个横向固定支座调整为设置2个横向固定支座。该工况下，2个横向支座共同承担水平地震力，从而减小支座的水平剪力。锦江人行天桥主桥桥面宽度较小，为9.3m，支座间距为5.7m。因固定支座本身具有一定的位移量，可以适应桥梁在温度作用下的横向变形，故采用横向双固定支座方案时，桥梁在正常使用情况下的性能基本不受影响。E1地震作用下不同支座方案计算结果对比如表3所示。E2地震作用下不同支座方案计算结果对比如表4所示。由表3、表4可知，E1、E2地震作用下，设置横向双固定支座方案的支座剪力的确小于普通盆式支座方案，各墩位处2个横向支座很好地分担了地震作用下的水平剪力。锦江人行天桥主桥为平面位于空间曲线上的单边斜拉曲线桥，恒载作用下，其支座本就存在着水平剪力。如果采用横向双固定支座方案，地震作用下产生的水平剪力和恒载作用下的水平剪力叠加在一起，部分超过了支座设计竖向承载力的30%，不能满足设计要求。5.3减隔震设计。5.3.1减隔震支座比选。目前，常用的整体性减隔震装置有铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座及拉索减震支座。3种支座均可有效地减震和隔震，但3种支座的刚度各不相同，能够承受的水平剪力和位移量均不相同［45］。由于锦江人行天桥主桥的平面线形位于小半径圆曲线上，桥梁结构为单边拉索，常规荷载下，其支座本就存在着较大的水平剪力和纵横向位移。恒载作用下，拉索减震支座能够适应较大的位移量，也可以承受一定的水平剪力。在固定墩和活动墩处同时设置拉索减震支座，地震极端荷载作用下，固定支座承担的水平荷载超过某一量值时，抗剪螺栓剪断，固定支座将转变为活动支座。体系的水平传力途径发生改变，地震水平荷载可以分摊到每个桥墩，从而大大减小固定墩的受力。因此，拉索减震支座在减小结构地震作用的同时，可以有效限制墩梁的最大相对位移，防止落梁灾害发生。拉索减震支座如图5所示。5.3.2拉索减震支座减隔震体系地震反应分析。主桥联采用拉索减震球形支座，并根据吨位选择具体型号。主桥塔下桥墩，即8#、9#墩选用LSQZ7000GD/DX支座;主桥其他桥墩，即7#、10#及11#墩选用LSQZ2000DX/SX支座。采用上述支座布置后，对主桥进行E2地震作用下结构体系的抗震性能验算。使用拉索减震支座时，首先应选择合适的拉索自由程。对采用不同自由程时拉索减震支座的减震效果进行对比，最终确定拉索减震支座的自由程为10cm。经计算，锦江人行天桥主桥在E2地震作用下各构件的抗震性能均满足相关规范要求。其中，拉索索力小于设计索力，能力需求比为1.48;桥塔、桥墩应力分别为137MPa、165MPa，均小于钢材的屈服强度，相应能力需求比为2.51和2.09;拉索支座最大剪力响应为2367kN，小于支座拉索强度;桩基础地震抗弯需求小于等效屈服强度，主桥边墩单排桩纵向抗弯最为不利，相应能力需求比为2.43。6结论(1)锦江人行天桥主桥结构若采用普通盆式支座，在E2地震作用下，其支座剪力较大，横向剪力基本超过设计支反力的20%，Z7、Z9支座处的横向剪力大于设计支反力的30%。不改变约束形式的前提下，保证支座不剪断较为困难。(2)锦江人行天桥主桥为平面位于空间曲线上的单边斜拉曲线桥，恒载作用下，其支座本就存在着水平剪力。如果采用横向双固定支座方案，地震作用下产生的水平剪力和恒载作用下的水平剪力叠加在一起，部分超过了支座设计竖向承载力的30%，不能满足设计要求。(3)采用拉索减震支座方案后，主桥包括桥塔、拉索、桥墩及桩基础在内的所有构件的抗震性能均得到了不同程度的优化。拉索减震支座调整了地震力的分布，激发出结构的冗余强度，优化抗震控制构件的受力特性，进而提高全结构的抗震性能。(4)构造设计时，应在主梁、支座及桥墩连接节点处预留构造间隙，使主梁与桥墩在纵桥向和横桥向保持0.1m的相对位移，确保拉索支座在地震中发挥作用。此外，景观人行桥抗震设防类别的判定一直存在争议。考虑结构美观性，景观人行桥在形式上往往接近于斜拉桥、悬索桥和拱桥，但其结构受力仍接近于梁桥。目前，并没有针对人行桥抗震设防类别划分的相关规定，设计人员在设计时只能参考市政桥梁或者公路桥梁的相关规范执行。如果按照斜拉桥、悬索桥和拱桥的要求进行抗震设防分类，分类标准应归为甲类，但城市景观桥一般跨度较小，在交通网络中的重要性也不如市政公路桥梁。因此，把带有斜拉、悬索及拱造型的景观人行桥归为甲类抗震设防范畴，是值得商榷的。

参考文献

［1］李丰群．深圳前海合作区梦海前湾河大桥设计［J］．现代交通技术，2019，16(3):5153．

［2］中华人民共和国住房和城乡建设部．城市桥梁抗震设计规范:CJJ166—2011［S］．北京:中国建筑工业出版社，2012．

［3］范立础，王志强．桥梁减隔震设计［M］．北京:人民交通出版社，2001．

［4］中华人民共和国交通运输部．公路桥梁铅芯隔震橡胶支座:JT/T822—2011［S］．北京:［出版者不详］，2011．

［5］四川省交通运输厅．拉索减震支座与应用技术指南:DB51/T2241—2016［S］．成都:成都西南交大出版社，2016．

作者:李丰群 李瑞琪 单位:东南大学建筑设计研究院有限公司