都 曉 嚴 敏 孟曉鵬 曾 險

(1.中國路橋工程有限責任公司,北京 100010; 2.中交鐵道設(shè)計研究總院有限公司,北京 100088)

1 概述

新建肯尼亞內(nèi)羅畢至納瓦沙標軌鐵路項目(簡稱內(nèi)納鐵路)橫跨東非大裂谷東支,為蒙內(nèi)鐵路的延長線,該鐵路是完全采用中國標準設(shè)計建造的單線標軌鐵路。本線為中國國鐵Ⅰ級,設(shè)計速度為客運120 km/h,貨運80km/h,橋涵設(shè)計活載為“中-活載”;本項目橋梁主要以32m單線標準簡支T梁為主,其長度約占全線橋梁總長度的98%。該地區(qū)火山地震頻發(fā),采用裂谷區(qū)地震參數(shù)計算得出的橋墩地震力較采用國內(nèi)標準地震參數(shù)大10%～30%。

鐵路橋墩安全是鐵路建設(shè)必須面對的問題[1],已有許多學者開展相關(guān)研究,鞠彥忠等通過偽靜力試驗研究低配筋鐵路橋墩的延性抗震性能[2];蔣麗忠等按正交試驗設(shè)計方法分析縱筋率、配箍率等對橋墩延性性能的影響[3];陳興沖等研究少筋混凝土橋墩在罕遇地震下的抗震性能[4]。同時,也有學者通過實驗研究鐵路橋墩的滯回模式規(guī)律,對提高和改善橋墩的抗震性能提供思路和方法[5-6],早在青藏鐵路建設(shè)期,董義等采用“回歸法”對青藏鐵路九度地震區(qū)簡支梁橋進行抗震設(shè)計[7]。然而,對于東非大裂谷區(qū)這一獨特地區(qū)橋墩抗震性能鮮有研究,如何提高和改善這類橋墩的抗震性能,進行合理的延性抗震設(shè)計,是設(shè)計中迫切需要解決的問題。

2 地震動參數(shù)

以20m高單線圓端墩為對象,采用Midas Civil建立橋墩有限元模型,根據(jù)GB 50111—2006《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱抗震規(guī)范),橋墩的抗震設(shè)計按多遇地震及罕遇地震分別進行偏心、強度及延性驗算[8]。

根據(jù)當?shù)氐卣饎訁^(qū)劃,內(nèi)納鐵路位于8度地震區(qū),地震動峰值加速度Ag=0.20g,其Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類三種場地地震動反應(yīng)譜特征周期分別為0.40s、0.50s、0.75s,較GB18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》有所提高,對橋墩的受力更加不利。根據(jù)現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù),東非裂谷區(qū)動力放大系數(shù)取值如下:當0

式中,若β(T)≤0.2βm,則β(T)=0.2βm。相較于抗震規(guī)范,動力放大系數(shù)提高了1.11倍,會產(chǎn)生更大的地震作用。

根據(jù)抗震規(guī)范,將采用反應(yīng)譜法對位于三種不同場地類型下的橋墩進行地震力計算,基巖場地與Ⅲ類場地地震動峰值加速度建議值由Ⅱ類場地地震動峰值加速度轉(zhuǎn)換得到[9],其調(diào)整系數(shù)分別為0.85和1.0。地震動參數(shù)按照多遇及罕遇地震動分別取值,其反應(yīng)譜曲線如圖1、圖2所示。在多遇地震作用下,Ⅰ類場地的地震動峰值加速度為0.595m/s2,Ⅱ、Ⅲ類場地為0.7m/s2;Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類場地特征周期分別為0.4s、0.5s、0.75s。在罕遇地震作用下,Ⅰ類場地地震動峰值加速度為3.23m/s2,Ⅱ、Ⅲ類場地為3.8m/s2;Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類場地特征周期分別為0.45s、0.55s、0.8s?？梢钥闯?Ⅰ類場地最大動力放大系數(shù)及場地特征周期均小于Ⅱ、Ⅲ類場地,場地特征周期越大,意味著會更加接近橋墩的自振周期,甚至發(fā)生共振反應(yīng)。

圖1 多遇地震反應(yīng)譜曲線

圖2 罕遇地震反應(yīng)譜曲線

3 計算模型

以Kiserian特大橋20m墩高為例,簡述通橋-4103-Ⅲ(2012)在內(nèi)納鐵路建設(shè)中的適用性。本橋中心里程為DK119+727,橋跨形式為16-32m預應(yīng)力混凝土簡支T梁,全長547.4m,位于東非大裂谷谷底,Suswa火山西側(cè),地勢起伏較大,地表植被主要為稀疏的灌木叢,植被發(fā)育一般,橋址區(qū)地面高程為1730～1800m,橋址區(qū)溝谷內(nèi),雨季瞬時水量較大,旱季枯水,設(shè)計流量為183.0m3/s。擬定橋墩尺寸:頂帽6 m×2.5m、厚0.6m;墩頸3.6m×2.1m;墩身坡度為35∶1;托盤順橋向為3.6m,橫橋向為2.1m,如圖3所示。地基土主要由粉質(zhì)黏土、粉砂、細角礫土等構(gòu)成,如圖4所示?；A(chǔ)設(shè)計采用5根φ1m的摩擦樁[10]。

圖3 墩身構(gòu)造(單位:cm)

圖4 地質(zhì)縱斷面(單位:m)

對于Ⅰ類場地,由于場址主要為基巖,場地條件較好,橋梁基礎(chǔ)_一般按明挖基礎(chǔ)設(shè)計,在有限元模擬中,通常采用一般支撐節(jié)點模擬;Ⅱ類為一般地區(qū)場地,多為中密-稍密碎石類土,橋墩基礎(chǔ)通常按_照樁基礎(chǔ)進行設(shè)計;Ⅲ類場地以軟弱土為主,橋墩基礎(chǔ)按樁基礎(chǔ)設(shè)計[11];明挖基礎(chǔ)采用一般支撐節(jié)點模擬,如圖5所示。

圖5 橋墩計算模型

樁基礎(chǔ)采用“m”法模擬樁-土相互作用[12],其中,墩身按1m一個節(jié)段,均勻劃分為20個單元;而樁基則根據(jù)地層情況進行劃分,一共劃分為7層。地震作用下,地基系數(shù)m動=2m靜,樁的上部土層劃分要密,下部土層劃分可以稀疏,但應(yīng)保證每一層土中間有一個對應(yīng)的節(jié)點,各土層的計算剛度如表1所示。地基土剛度隨著土層深度的增加而增加。地震輸入分為順橋向與橫向橋,振型組合采用SRSS法,特征值計算采用多重Ritz向量法。

表1 土層計算剛度

4 多遇地震作用下地震響應(yīng)

4.1 偏心驗算

對線性動力計算模型進行反應(yīng)譜地震反應(yīng)分析,采用多遇地震作用下水準反應(yīng)譜,荷載組合按無車、單孔布載、雙孔布載三種情況進行考慮。取墩底截面作為驗算截面,截面偏心需滿足e≤0.8S(S為沿截面重心與合力作用點連線方向至截面外包輪廓線交點的距離)[13]。最不利荷載組合下偏心計算結(jié)果如表2所示,偏心驗算中,最不利荷載組合為無車荷載組合,場地土類別越差,對截面偏心驗算越不利。縱橋向I、Ⅱ、Ⅲ類場地偏心距分別超過規(guī)范值1.1、1.28、1.92倍,橫橋向I、Ⅱ、Ⅲ類場地偏心距分別超過規(guī)范值1.08倍、1.15倍、1.45倍;3種場地條件下,截面偏心均不滿足規(guī)范要求。因此,需對該圓端型實體橋墩按鋼筋混凝土橋墩進行設(shè)計驗算。

表2 截面偏心驗算 m

4.2 強度驗算

通橋4103系列20m高橋墩墩底截面配筋為:Ⅰ類場地和Ⅱ類場地墩身主筋采用的相同布置,墩底主筋直徑為16mm,共83根,配筋率為0.14%,Ⅲ類場地墩底主筋直徑為22mm,配筋率為0.27%。墩底截面強度驗算結(jié)果如表3所示,在Ⅰ、Ⅱ類場地條件下,橋墩最不利荷載工況為縱向無車荷載,混凝土應(yīng)力最大值為8.43MPa,遠小于允許值17.7MPa,鋼筋最大應(yīng)力為216MPa,小于允許值315MPa,因此,在Ⅰ、Ⅱ類場地條件下,橋墩的混凝土及鋼筋應(yīng)力均滿足規(guī)范要求;在Ⅲ類場地條件下,橋墩最不利荷載工況為縱向無車荷載,混凝土最大應(yīng)力為11.8MPa,小于允許值,鋼筋最大應(yīng)力為349MPa,超過了規(guī)范允許值。因此,在Ⅲ類場地條件下混凝土強度能夠滿足規(guī)范要求,但主筋應(yīng)力超限,需要對墩身截面加強配筋設(shè)計。

表3 墩底截面強度驗算結(jié)果 MPa

5 罕遇地震作用下橋墩延性驗算

5.1 簡化計算方法

采用抗震規(guī)范里橋墩延性設(shè)計的簡化計算方法,建立由線彈性動力分析結(jié)果估算橋墩的位移響應(yīng),根據(jù)橋墩的非線性位移延性比與線性彎矩比的比例關(guān)系,有

式中:μu為非線性位移延性比,需滿足μu<4.8;λm為非線性位移延性比與線性彎矩比的比例系數(shù);μm為線性彎矩比。

5.2 延性驗算

(1)比例系數(shù)計算

根據(jù)抗震規(guī)范,比例系數(shù)λm可根據(jù)橋墩的線性自振周期以及場地類別、水平地震基本加速度進行計算,表4給出了Ⅰ類～Ⅳ類場地類型的比例系數(shù)計算結(jié)果。

表4 比例系數(shù)求解

(2)非線性位移比μu的計算

地震下截面最大彎矩可根據(jù)Midas Civil有限元模型計算得出,而屈服彎矩則需要根據(jù)M-φ線獲得,表5給出橋墩延性的計算結(jié)果,縱橋向及橫橋向橋墩的屈服彎矩分別為21050kN·m、29183kN·m;場地類別對橋墩在罕遇地震作用下的響應(yīng)影響巨大(Ⅲ類場地下的響應(yīng)甚至是Ⅰ類場地的2倍);Ⅰ類場地由于地質(zhì)條件較好,橫橋向位移比最小,僅為2.28,Ⅱ類場地次之,橫橋向位移比為3.47,Ⅲ類場地位移比最大,橫橋向位移比為4.31(幾乎接近規(guī)范規(guī)定的允許值4.8),但無論哪種場地條件,墩底截面的非線性位移比均滿足抗震規(guī)范的要求。因此,“通橋(2012)4103-Ⅲ”可滿足東非大裂谷地區(qū)橋墩的延性要求。

表5 非線性位移比計算結(jié)果

6 結(jié)論

肯尼亞東非裂谷區(qū)特征周期及動力放大系數(shù)均突破了國內(nèi)規(guī)范,其中地基土特征周期比國內(nèi)規(guī)范規(guī)定的要長,而動力系數(shù)較國內(nèi)規(guī)范提高1.11倍,對橋墩的抗震設(shè)計更加不利;對于I、Ⅱ類場地,混凝土最大應(yīng)力為8.43MPa,鋼筋最大應(yīng)力為216MPa,均小于材料設(shè)計允許值,位移延性比分別為2.28和3.47,小于規(guī)范設(shè)計值,說明橋墩強度及延性均能夠滿足抗震性能要求;對于Ⅲ類場地,位移延性比為4.31,橋墩延性能滿足設(shè)計要求,但鋼筋應(yīng)力為349MPa,超過材料設(shè)計允許應(yīng)力,故應(yīng)提高“通橋4103”系列橋墩的配筋率,并加強結(jié)構(gòu)的抗震措施。