唐 濤， 易 達(dá)， 李劍鸞， 翁怡軍

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 四川成都 610031)

根據(jù)中國(guó)和歐洲規(guī)范的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋地震反應(yīng)譜法計(jì)算比較

唐 濤， 易 達(dá)， 李劍鸞， 翁怡軍

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 四川成都 610031)

文章將中國(guó)鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范與歐洲規(guī)范中的地震反應(yīng)譜法進(jìn)行比較，并按照所得兩種不同的反應(yīng)譜計(jì)算保加利亞某鐵路橋的地震響應(yīng)。通過計(jì)算，認(rèn)為中國(guó)鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范所取得的水平地震反應(yīng)譜值在長(zhǎng)周期段高于歐洲規(guī)范，在短周期段低于歐洲規(guī)范；且中國(guó)規(guī)范對(duì)豎直地震反應(yīng)譜沒有詳細(xì)規(guī)定。

歐洲規(guī)范； 鐵路規(guī)范； 抗震設(shè)計(jì)； 反應(yīng)譜法

反應(yīng)譜法是驗(yàn)算土木工程結(jié)構(gòu)抗震性能的重要方法，但不同規(guī)范對(duì)反應(yīng)譜的選擇有較大差異。沈建文[1]等指出，重大工程地震安全性評(píng)價(jià)得出的一致概率反應(yīng)譜的長(zhǎng)周期部分，通常低于中國(guó)規(guī)范給出的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，這將造成長(zhǎng)周期重大工程的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)偏低。在將中國(guó)規(guī)范地震反應(yīng)譜和歐洲、美國(guó)規(guī)范進(jìn)行比較后，余湛[2]等認(rèn)為現(xiàn)行的歐洲和美國(guó)規(guī)范的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜短周期部分高于中國(guó)規(guī)范，但隨著周期的加大，由于中國(guó)規(guī)范反應(yīng)譜下降指數(shù)較小，使得中國(guó)規(guī)范的反應(yīng)譜逐漸接近并超過歐洲規(guī)范。倪永軍[3]等通過與歐洲規(guī)范的對(duì)比研究，表明我國(guó)鐵路橋梁多遇地震和設(shè)防地震的反應(yīng)譜峰值加速度均低于歐洲規(guī)范的響應(yīng)地震作用取值，但反應(yīng)譜的下降段基本重合?，F(xiàn)有的研究多是將規(guī)范中選取反應(yīng)譜的條文進(jìn)行比較，而用根據(jù)中歐規(guī)范選取的不同反應(yīng)譜進(jìn)行實(shí)橋計(jì)算，能更直觀的考察中歐規(guī)范的差異。本文以保加利亞某橋?yàn)槔?，根?jù)歐洲規(guī)范和中國(guó)鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范選取地震反應(yīng)譜，計(jì)算該橋在地震作用下的內(nèi)力響應(yīng)。

1 工程背景

保加利亞某橋設(shè)計(jì)方案為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁連續(xù)剛構(gòu)橋，位于保加利亞西南連接首都索菲亞和第二大城市普羅夫迪夫之間的鐵路線上。該橋?yàn)閮删€鐵路橋，設(shè)計(jì)時(shí)速為160km/h，客貨共線?？鐝讲贾脼?52+70+78+100×3+78+70+52)m，混凝土箱梁為單箱單室，頂板寬13.51m，梁高最高8m，最小5m；梁體采用C45混凝土，后張預(yù)應(yīng)力。中間P4、P5號(hào)橋墩為雙薄壁墩，采用C55混凝土，墩梁固結(jié)。薄壁墩長(zhǎng)6.674m，厚1.2m，兩壁中心距5m。P4墩高18.5m，P5墩高18m。其余為獨(dú)柱空心墩，采用C35混凝土。墩梁鉸接，采用半球形鋼支座。P1、P2墩因臨近既有鐵路，采用沉井基礎(chǔ)，其余墩臺(tái)處采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。該橋擬用懸臂澆筑法施工，由兩側(cè)邊跨至中間主跨依次合龍。全橋跨徑布置見圖1，主梁斷面見圖2。該橋位于保加利亞地震帶上，地震重現(xiàn)周期475a的地面加速度為0.23g。

圖1 橋跨布置 (單位: m)

2 自振特性分析

本文首先利用Midas Civil軟件建立全橋梁?jiǎn)卧Ｐ?，?jì)算V832號(hào)橋的自振特性。全橋有限元模型見圖3。橋址處均為風(fēng)化程度較輕的良好巖石，因此該橋未采用樁、箱基礎(chǔ)，而采用混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)和沉井式基礎(chǔ)。在計(jì)算橋梁動(dòng)力特性時(shí)，不考慮剛性基礎(chǔ)的影響，在各橋墩墩底采用全固結(jié)形式，即限制所有方向平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。橋梁上部附屬設(shè)施、非受力結(jié)構(gòu)(軌道、道砟、供電線路、排水設(shè)施和擋砟墻等)和列車活載均以質(zhì)量形式施加于橋面高度處的橋軸線上。用Lanczos方法計(jì)算橋梁自振特性。橋梁前10階振型見表1。

3 按歐洲規(guī)范的地震反應(yīng)譜法計(jì)算分析

根據(jù)歐洲規(guī)范，結(jié)合保加利亞國(guó)家附錄中相關(guān)規(guī)定，確定該橋在地震重現(xiàn)周期475a的地面加速度為0.23g，橋址處為A類地形，重要性系數(shù)取1.4，行為系數(shù)q=1.5，選取反應(yīng)譜類型為1類譜。根據(jù)GB 50111-2006 (2009年版)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，該橋場(chǎng)地類型為I類；該橋位于交通要塞，跨越長(zhǎng)大山谷，聯(lián)長(zhǎng)較長(zhǎng)，因此為B類工程，設(shè)計(jì)地震為8度，抗震設(shè)防烈度為8度(0.3g)。水平設(shè)計(jì)譜短周期段界限值TA取0.1 s，特征周期選取I類二區(qū)Tg=0.3 s。豎向設(shè)計(jì)譜按水平設(shè)計(jì)譜形狀參數(shù)取值且設(shè)計(jì)地震動(dòng)加速度取水平加速度的65 %。按照以上規(guī)范規(guī)定所取得的水平和豎直地震反應(yīng)譜如圖4所示。

圖2 箱梁斷面 (單位:m)

圖3 全橋梁?jiǎn)卧Ｐ?/p>

表1 橋梁前10階振型

圖4 根據(jù)中國(guó)規(guī)范和歐洲規(guī)范的加速度反應(yīng)譜

地震時(shí)橋上有車的工況在鐵路橋梁抗震計(jì)算中值得考慮。根據(jù)歐洲規(guī)范，應(yīng)在各方向計(jì)入0.3倍單線列車活載引起的地震力。根據(jù)鐵路工程抗震規(guī)范，順橋向、橫橋向和豎向分別按照0、50 %和100 %計(jì)入單線活載引起的地震力。利用Midas Civil計(jì)算得各墩墩底反力和彎矩見表2、表3。

表2 順橋向地震力作用下按歐洲規(guī)范和中國(guó)鐵路抗震規(guī)范墩底反力和墩底彎矩

表3 橫橋向地震力作用下按歐洲規(guī)范和中國(guó)鐵路抗震規(guī)范墩底反力和墩底彎矩

本橋第一階振型為主梁縱飄，周期為2.34 s，振型參與質(zhì)量達(dá)到93.85 %，對(duì)于該階振型，中國(guó)規(guī)范計(jì)算得加速度反應(yīng)譜值為1.324 m/s2，歐洲規(guī)范計(jì)算所得加速度反應(yīng)譜值為0.865 m/s2，中國(guó)規(guī)范為歐洲規(guī)范的1.53倍。計(jì)入活載影響后，中國(guó)規(guī)范計(jì)算所得前120階墩底反力和墩底順橋向彎矩比歐洲規(guī)范大49 %。橋梁橫向振型參與質(zhì)量主要集中在第2階(周期0.746 s)和第10階(周期0.427 s), 對(duì)于這兩階振型所對(duì)應(yīng)的加速度反應(yīng)譜值而言，中國(guó)規(guī)范計(jì)算所得值約為歐洲規(guī)范計(jì)算所得值的0.7倍。其他橫向振型對(duì)應(yīng)的周期下，中國(guó)規(guī)范均較歐洲規(guī)范小。根據(jù)兩種規(guī)范計(jì)算得到各墩墩底橫橋向反力和彎矩最大相差30 %。

4 結(jié)論

由以上計(jì)算可知，由于反應(yīng)譜形狀和對(duì)應(yīng)取值的不同，根據(jù)中國(guó)規(guī)范和歐洲規(guī)范計(jì)算結(jié)果相差較大。中國(guó)規(guī)范在水平反映譜的長(zhǎng)周期段譜值大于歐洲規(guī)范，短周期段小于歐洲規(guī)范。

對(duì)于豎向地震反應(yīng)譜而言，中國(guó)規(guī)范規(guī)定不詳細(xì)，中國(guó)規(guī)范和歐洲規(guī)范選定的豎向反應(yīng)譜相差甚大，因此建議在以后的規(guī)范修訂中，將豎直反應(yīng)譜的取值進(jìn)行細(xì)化。

[1] 沈建文, 石樹中. 一致概率譜與規(guī)范譜[J]. 地震學(xué)報(bào), 2004, 26(1)：94-101.

[2] 余湛. 從中國(guó)、美國(guó)、歐洲抗震設(shè)計(jì)規(guī)范譜的比較探討我國(guó)的抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜[J]. 震災(zāi)防御技術(shù), 2008， 3(2)：136-143.

[3] 倪永軍. 高鐵大跨橋梁設(shè)計(jì)地震作用與國(guó)內(nèi)外主要抗震規(guī)范的比較研究[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2016, 35(4): 72-80.

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[定稿日期]2016-10-18

[作者信息]唐濤(1991～)，男，在讀研究生，研究方向?yàn)榇罂鐦蛄涸O(shè)計(jì)計(jì)算和復(fù)雜鋼橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。