基于改良橋墩延性的高速鐵路橋梁抗震性能研究★

夏曉東 劉 林

(1.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司橋梁工程設(shè)計研究院，北京 100055;2.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044)

0 引言

汶川大地震導致多座橋梁被損壞，不僅造成了直接經(jīng)濟損失，還給緊急救援增加了難度。地震發(fā)生后，國內(nèi)的研究人員已經(jīng)開始對地震引發(fā)的橋梁破壞展開積極的調(diào)查和分析，并提出了很多建設(shè)性意見。近幾年，一部分橋梁抗震設(shè)計標準已修訂完成，并付諸實施。在鐵路橋梁領(lǐng)域，地震研究的問題主要集中在橋梁地震響應(yīng)對鐵路的影響以及高速鐵路橋梁的抗震性能設(shè)計。為了列車的行駛安全，鐵路橋梁的橋墩通常被設(shè)計成重量和剛度都很大的結(jié)構(gòu)，即使是震區(qū)的橋梁其橋墩配筋率也低于0.2%。因此，在汶川大地震中，許多鐵路橋墩暴露出易碎、彎曲不足的弊端，如圖1所示。

本文提出了一種適用于鐵路橋梁的延性改良橋墩，下面文章將以實際工程為例，通過建立全橋有限元模型，對延性改良橋墩和常規(guī)橋墩的抗震性能做出具體的比較分析。

1 工程概況和模型

1.1 工程概況

本文以一座4孔32 m簡支箱梁鐵路橋為研究對象，見圖2，橋梁全長145.3 m，設(shè)計時速250 km/h。采用圓端形橋墩，墩高10 m。橋墩順橋向2.5 m，橫橋向6.4 m?；A(chǔ)采用鉆孔灌注樁，橋墩樁基樁徑1.0 m，樁長22 m。橋臺樁基樁徑1.25 m，樁長31 m。每孔梁4個支座，分別為固定、橫向活動、縱向活動和多向活動支座。

圖1 鐵路橋墩的脆性彎曲破壞示意圖

圖2 橋梁立面圖（單位：cm）

本文選擇了3種地震波，分別是由《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》中的設(shè)計加速度反應(yīng)譜生成的模擬地震波、PET地震波(Cape Mendocino，1992 年)和 Shifangbajiao地震波(Wenchuan，2008 年)。地面峰值加速度取0.38g，相當于重現(xiàn)期為2475年的劇烈地震。

1.2 橋梁建模

采用Midas建立三維有限元全橋模型，模擬橋梁結(jié)構(gòu)局部非線性和樁—土相互作用效應(yīng)。梁部、橋墩和樁基采用3D梁單元模擬，采用非線性桿單元模擬塑性鉸的轉(zhuǎn)動，采用彈簧單元模擬樁與土的相互作用，活動支座表現(xiàn)出雙線性遲滯行為，選用非線性桿單元模擬活動支座，摩擦系數(shù)取為0.04。32m簡支梁梁重為719 t，二期恒載為198 kN/m。橋梁墩臺編號從左至右為0號～4號。

在結(jié)構(gòu)周期和模態(tài)分析中，使用等效線剛度來表現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的非線性行為。計算主要選取了前100階振型。前3階為順橋向，第4 階為橫橋向，自振周期分別為 0.723 s，0.655 s，0.603 s和0.512 s。

2 考慮延性改良后橋墩的強度和延性

對于常規(guī)的鐵路橋梁橋墩來說，縱向鋼筋是沿著橋墩截面周長方向布置，如圖3a)所示，在這種布置方式下，箍筋與縱向鋼筋綁扎形成鋼筋籠，除了固定縱向鋼筋外還提供抗剪作用，但是對于箍筋內(nèi)部的混凝土并沒有產(chǎn)生任何影響。

為了增強鋼筋對混凝土的側(cè)向壓力，本文提出了一種改進的鋼筋布置形式，如圖3b)所示。在橋墩截面內(nèi)，增加三個或以上相互交叉的封閉圓形箍筋，圓形箍筋內(nèi)的混凝土可以看作約束混凝土，箍筋外的混凝土為非約束混凝土。

對上面提到兩種截面類型做彎矩—曲率分析，如圖2所示的工程中，每個橋墩的恒載豎向力為24.107 MN，結(jié)果表明:約束混凝土和非約束混凝土的本構(gòu)關(guān)系服從Mander模型(Priestley等人，1996)，鋼筋服從雙線性模型。

等效塑性鉸長度計算公式如下:

式中:Lp——等效塑性鉸長度，mm;

H——橋墩高度或塑性鉸到彎矩拐點間的距離，mm;

fy——縱向受力鋼筋抗拉強度標準值，MPa;

ds——縱向受力鋼筋直徑，MPa。

圖3 兩種類型的橋墩截面

分別計算了兩種類型的橋墩在縱向、橫向的強度和延性，如表1，表2和圖4所示。

表1 橋墩截面縱向強度和延性

表2 橋墩截面橫向強度和延性

圖4 彎矩—曲率關(guān)系

從表中可以看到，兩種截面的有效屈服彎矩比分別為縱向1.173，橫向 1.170;截面屈服曲率比分別為縱向 1.578，橫向1.470;橋墩允許轉(zhuǎn)角比值分別為縱向1.523，橫向1.555。對比結(jié)果表明，本文提出的鋼筋布置形式在強度和延性兩方面都要優(yōu)于常規(guī)形式。

3 抗震性能評估

本文對上述提到的兩種橋墩做了罕遇地震下的非線性動力計算，并從以下兩方面進行對比分析。

3.1 橋墩塑性鉸轉(zhuǎn)動分析

在劇烈的地震中，橋墩塑性鉸的轉(zhuǎn)動能力對橋梁的安全具有非常重要的意義。非線性動力分析結(jié)果表明，在三種地震波的作用下，所有的橋墩在縱向、橫向都會發(fā)生屈服。塑性鉸轉(zhuǎn)動角度如表3，表4所示。從表中可以看出，對于延性改良后的橋墩和常規(guī)橋墩來說，塑性鉸的抗震計算實際值僅有細微的差別，但是，兩種類型橋墩的轉(zhuǎn)動能力具有明顯的不同。

對于延性改良的橋墩方案，在上文提到的三種地震波的激勵下，所有的橋墩在縱向、橫向均表現(xiàn)出足夠的轉(zhuǎn)動能力。但是，對于常規(guī)橋墩方案來說，所有的橋墩在模擬地震波和PET地震波的作用下，縱向的轉(zhuǎn)動能力均表現(xiàn)不足;2號橋墩在三種地震波的作用下，橫向的轉(zhuǎn)動能力不足。

表3 橋墩縱向塑性鉸轉(zhuǎn)動 ×10－3 rad

表4 橋墩橫向塑性鉸轉(zhuǎn)動 ×10－3 rad

延性改良橋墩的塑性鉸在兩個方向均表現(xiàn)出良好且穩(wěn)定的彎矩—轉(zhuǎn)角滯回關(guān)系，如圖5所示。

圖5 模擬地震波作用下2號橋墩塑性鉸的彎矩—轉(zhuǎn)角滯回關(guān)系曲線

圖中的封閉區(qū)域，反映了在形成塑性鉸的位置發(fā)生塑性變形過程中能量耗散的情況。

3.2 活動支座位移分析

支座的變形能力對于橋梁的抗震穩(wěn)定性具有很重要的影響。表5示出了縱向活動支座位移的計算值和允許值。對于不同的墩臺，支座位移值也不盡相同，1號橋墩和4號橋臺的位移值比2號、3號橋墩要大很多。這一結(jié)果表明，雖然橋梁的部分結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了非線性行為，但是對于支座的響應(yīng)，基本振型仍然是主導因素。對于1號橋墩和4號橋臺，縱向活動支座的位移允許值/計算值分別是0.6和0.7。因此，無論采用何種類型的橋墩，支座的位移量都是明顯不足的。在這種情況下，可以采用限位裝置或阻尼器來控制支座的位移。

表5 縱向活動支座的位移 cm

1號橋墩和2號橋墩縱向活動支座的力—位移曲線如圖6所示。通過活動支座的位移，能夠消耗掉一小部分地震能量。

圖6 PET地震波作用下1號橋墩和2號橋墩活動支座縱向剪力—位移曲線

4 結(jié)語

本文對中國地震多發(fā)地區(qū)的高速鐵路橋梁提出了一種延性改良的設(shè)計方法。該方法在常規(guī)橋墩內(nèi)布置一些相互交叉的封閉圓形螺旋箍筋，彎矩—曲率分析表明，相對于常規(guī)的橋墩截面，這種新型橋墩具有更好的延性。

此外，依據(jù)實際工程，利用Midas Civil建立兩種橋墩的有限元模型，進行抗震性能對比研究。在不同地震波的作用下，進行罕遇地震非線性動力分析。

基于上述分析，可以得出以下結(jié)論:

1)本文提出的橋墩鋼筋布置形式，能給混凝土提供效果非常明顯的側(cè)壓力，有效提高了橋墩的延性。

2)常規(guī)橋墩的塑性鉸轉(zhuǎn)動能力存在不足，尤其是在高烈度震區(qū)。在這種情況下，可以采用文中提到的鋼筋布置形式作為替代方案。

3)對于墩高基本相同的橋梁，雖然橋梁的局部產(chǎn)生了非線性行為，但是第1階縱向振型和第1階橫向振型仍然對結(jié)構(gòu)起主導作用。

4)由于第1階縱向振型的貢獻，邊孔梁的活動支座位移非常大，可以采用限位裝置或阻尼器來控制支座的位移。

［1］GB 50111-2006，鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］TB 10621-2009，高速鐵路設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］TB 10002.1-2005，鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范［S］.

［4］丁明波，陳興沖.客運專線橋墩—基礎(chǔ)滯回特性的模型試驗研究［J］.蘭州交通大學學報，2008，27(3):5-8.

［5］鄭 健.中國高速鐵路橋梁［M］.北京:高等教育出版社，2008.