楊喜文　鐘建輝　馮福洋

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京　100055)

Research on Aseismic System of Railway Bridge with Short Piers

YANG Xiwen　ZHONG Jianhui　FENG Fuyang

矮墩鐵路橋梁抗震體系研究

楊喜文鐘建輝馮福洋

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京100055)

Research on Aseismic System of Railway Bridge with Short Piers

YANG XiwenZHONG JianhuiFENG Fuyang

摘要矮墩鐵路橋梁無(wú)法利用墩柱延性抗震，設(shè)計(jì)中常采用提高固定墩強(qiáng)度或設(shè)置多固定墩的方法抵抗罕遇地震。因地震荷載的不確性，該方法不能確定彈塑性變形和能力耗散部位，造價(jià)高且不安全。以一座(60+100+60) m雙線鐵路矮墩橋梁為背景，分別采用單固定墩體系、雙固定墩體系和隔震體系對(duì)罕遇地震進(jìn)行抗震分析與比較。結(jié)果表明，雙固定墩體系不能起到分擔(dān)地震荷載的作用，而隔震體系能顯著減小下部結(jié)構(gòu)的地震內(nèi)力且地震荷載傳力途徑明確。

關(guān)鍵詞橋梁抗震抗震體系矮墩鐵路橋梁

鐵路橋梁的橋墩截面尺寸較大，常常會(huì)出現(xiàn)高寬比小于2.5的情況，參考現(xiàn)行公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[1]，這種橋墩被稱為矮墩，在地震作用下其破壞形式主要為脆性的剪切破壞，不能依靠其延性抵抗罕遇地震。抗震設(shè)計(jì)中常常采用以下兩種方法解決矮墩橋梁的罕遇地震抗震問(wèn)題：①加強(qiáng)支座或擋塊的抗剪能力、固定墩的配筋和基礎(chǔ)布置；②在活動(dòng)墩上設(shè)置速度鎖定裝置，地震作用下形成雙固定或多固定體系[2，3]。二者的共同特點(diǎn)是通過(guò)提高橋梁的強(qiáng)度來(lái)抵抗罕遇地震，即所謂的強(qiáng)度抗震；尤其是第2種方法，由于多固定墩體系增加了結(jié)構(gòu)縱向的剛度，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)慣性力增加，常常出現(xiàn)原固定墩的地震力沒(méi)有明顯減小，新固定墩的地震力顯著增加的現(xiàn)象，不僅起不到分?jǐn)偟卣鹆Φ淖饔?，而且?dǎo)致所有固定墩均需要提高強(qiáng)度和基礎(chǔ)布置。

對(duì)于鐵路矮墩橋梁，可以選擇墩-梁連接裝置作為地震破壞和能量耗散部位，在罕遇地震下形成隔震的抗震體系[4]。分別采用單固定、雙固定和隔震3種體系，對(duì)一座跨度為(60+100+60) m的雙線鐵路矮墩橋梁進(jìn)行抗震分析比較，從抗震設(shè)計(jì)理念和計(jì)算結(jié)果兩個(gè)方面論述矮墩橋梁強(qiáng)度抗震的不合理性和隔震設(shè)計(jì)的有效性，為矮墩鐵路橋梁的抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1工程背景

1.1　結(jié)構(gòu)布置

圖1所示為一座跨度為(60+100+60) m的雙線鐵路連續(xù)梁截面布置，中支點(diǎn)頂板厚0.4 m，底板厚1.2 m，腹板厚1.0 m；邊支點(diǎn)和跨中頂板厚0.4 m，底板厚0.4 m，腹板厚0.6 m。梁體自重和二期恒載總重154 596 kN，中支點(diǎn)恒載支反力為67 749 kN，邊支點(diǎn)恒載支反力為9 549 kN。

中墩高10.0 m，圓端形截面，順橋向?qū)?.6 m，橫橋向長(zhǎng)9.2 m，承臺(tái)尺寸為19.1 m×13.8 m×4.0 m，基礎(chǔ)為12根φ2.0 m鉆孔灌注樁；邊墩高13.0 m，圓端形截面，順橋向?qū)?.6 m，橫橋向長(zhǎng)8.0 m，承臺(tái)尺寸為12.2 m×8.9 m×2.5 m，基礎(chǔ)為12根φ1.25 m鉆孔灌注樁。橋址場(chǎng)地為Ⅱ類場(chǎng)地，樁側(cè)土m值為20 000 kN/m4。

圖1　連續(xù)梁斷面布置(單位：cm)

1.2　地震荷載

地震荷載采用2008年汶川地震中在什邡八角、汶川臥龍和綿竹清平記錄到的3條地震波，如圖2所示。圖2(d)為汶川地震波的反應(yīng)譜與規(guī)范罕遇地震反應(yīng)譜的比較。地震荷載分別沿順橋向和橫橋向輸入，取3條地震波地震反應(yīng)的最大值作為分析結(jié)果。

圖2　地震荷載

1.3　有限元模型與抗震體系

結(jié)構(gòu)的總體有限元模型如圖3所示，主梁和橋墩均采用梁?jiǎn)卧＃诔信_(tái)底施加6×6彈簧模擬樁基的柔性，彈簧剛度采用m法確定?？紤]相鄰橋跨的影響，兩側(cè)各建立一跨32 m簡(jiǎn)支梁模型。

圖3　有限元模型

分析所采用的3種抗震體系：(1)單固定墩體系，3號(hào)墩縱向固定，橫向全部固定；(2)雙固定墩體系，2號(hào)墩設(shè)置縱向速度鎖定裝置，地震下2號(hào)和3號(hào)墩縱向雙固定，橫向全部固定；(3)隔震體系，將支座作為彈塑性變形和能量耗散構(gòu)件，連續(xù)梁4個(gè)橋墩上均設(shè)置隔震支座，罕遇地震下縱橫向同時(shí)隔震。

在非線性時(shí)程分析中考慮活動(dòng)支座的摩擦效應(yīng)和隔震支座的非線性效應(yīng)，二者均采用PlasticWen模型建模[5]。如圖4所示，屈服力Fy取支座恒載軸力R乘以動(dòng)摩擦系數(shù)，初始剛度K0為屈服力Fy與屈服位移δy(即滑動(dòng)起始靜位移)之比，Kp為滑動(dòng)后的恢復(fù)力剛度，普通摩擦支座取0，隔震支座根據(jù)具體的類型確定，此處取0.025K0。

圖4　支座的滯回模型

2分析結(jié)果

圖5所示為3種抗震體系在縱、橫向的墩-梁相對(duì)位移；圖6所示為3號(hào)墩隔震支座在縱、橫的剪力-變形滯回曲線；圖7為順橋向墩底的地震剪力和彎矩；圖8為橫橋向墩底的地震剪力和彎矩。

圖5　墩-梁相對(duì)位移反應(yīng)

圖6　隔震支座剪力-變形滯回曲線

圖7　順橋向墩底地震內(nèi)力

圖8　橫橋向墩底地震內(nèi)力

分析結(jié)果表明：因支座發(fā)生彈塑性變形，隔震體系墩-梁相對(duì)位移明顯大于其他2種抗震體系，其值約為0.30 m。可以通過(guò)構(gòu)造措施滿足這一位移量，因隔震支座發(fā)生彈塑性變形，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的剛度顯著減小，進(jìn)而使得固定中墩的地震內(nèi)力顯著減?。浑p固定墩并沒(méi)有起到分擔(dān)地震力的作用，相反由于體系剛度增加導(dǎo)致地震慣性力增大，使得雙固定墩體系的地震內(nèi)力并沒(méi)有顯著小于單固定墩體系，既增加了投入，又沒(méi)有解決抗震問(wèn)題。震害調(diào)查和研究[6]表明，利用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度抵抗罕遇地震是一種錯(cuò)誤的抗震理念，由于地震荷載的不確定性，無(wú)法確定其真實(shí)大小，如汶川地震荷載明顯大于規(guī)范給出的罕遇地震荷載。采用強(qiáng)度抗震方法設(shè)計(jì)的橋梁表面上能抵抗罕遇地震，滿足規(guī)范要求，實(shí)際上沒(méi)有對(duì)橋梁在罕遇地震下的破壞方式和能量耗散位置進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于矮墩橋梁，強(qiáng)度抗震方法既增加了建筑材料用量，又不安全；而隔震體系的地震荷載傳力途徑明確，又不需要強(qiáng)大的下部結(jié)構(gòu)，其抗震體系合理有效。

3結(jié)論

(1)由于地震荷載的不確定性，矮墩鐵路橋梁采用加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來(lái)抵抗罕遇地震的理念是錯(cuò)誤的，這種抗震體系缺乏對(duì)結(jié)構(gòu)破壞方式和能力耗散部位的設(shè)計(jì)，大地震下其破壞方式不可控，結(jié)構(gòu)并不安全。

(2)地震下多固定墩體系會(huì)顯著增加矮墩橋梁的整體剛度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)地震慣性力顯著增加，不僅起不到分擔(dān)地震荷載的作用，反而使得所有固定墩均需要承擔(dān)較大的地震荷載，材料用量增加卻不能解決抗震問(wèn)題。

(3)對(duì)于矮墩橋梁，隔震體系的地震荷載傳力途徑和能量耗散部位明確，而且可以顯著減小下部結(jié)構(gòu)的地震內(nèi)力，是一種合理有效的抗震方法。

參考文獻(xiàn)

[1]JTG/T B02—01—2008公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則[S]

[2]胡建明.大慶至廣州高速公路流溪河特大橋八跨連續(xù)梁采用速度鎖定支座減震分析[J].四川建筑,2013,33(1):133-135

[3]侯海彪,黃志毅,許明杰.成灌線連續(xù)梁速度鎖定支座的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].價(jià)值工程,2012(27):136-138

[4]R. S. Jangid. Stochastic Response of Bridges Seismically Isolated by Friction Pendulum System[J]. J. Bridge Eng., 2008,13(4):319-330

[5]Hanson R D, Aiken I D, Nims D K, et al. State-of-the-art and state-of-the-practice in seismic energy dissipation[A]. In Proceedings of Seminar on Seismic Isolation, Passive Energy Dissipation, and Active Control[C], 1993:449-471

[6]Priestley M J N, Seible F. Seismic design and retrofit of bridges[M]. Wiley-Interscience, 1996.

中圖分類號(hào)：U442.5+5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7479(2015)02-0097-03

作者簡(jiǎn)介：第一楊喜文(1981—)，男，博士，工程師。

收稿日期：2015-01-08