大跨長聯(lián)鐵路連續(xù)梁橋抗震分析

劉 毅

(中鐵二院土建一院， 四川成都 610031)

大跨長聯(lián)鐵路連續(xù)梁橋抗震分析

劉 毅

(中鐵二院土建一院， 四川成都 610031)

以某大跨長聯(lián)鐵路連續(xù)梁橋?yàn)槔?，對該橋在多遇地震和罕遇地震作用下進(jìn)行動(dòng)力性能抗震分析，并提出了采用速度鎖定裝置等減隔震措施來有效降低固定墩的地震響應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)的安全性。

大跨長聯(lián)連續(xù)梁； 鎖定裝置； 抗震分析； 減震措施

1 工程概況

某大跨長聯(lián)連續(xù)梁橋，孔跨布置為(68+3×128+68)m連續(xù)梁。引橋采用跨徑32.7m2101簡支梁。主梁采用單箱單室截面，全寬8.1m，箱梁高由根部的8.8m按2次拋物線變化至跨中及端部的4.4m，橋梁的主墩為實(shí)心混凝土墩，從下圖上看，從左至右分別為8號(hào)、9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)、12號(hào)、13

號(hào)橋墩，其中11號(hào)橋墩為固定支座，其余為活動(dòng)支座。橋型布置如圖1。本橋位于7度設(shè)防區(qū)域，設(shè)計(jì)地震峰值加速度為0.13 g/s2，結(jié)構(gòu)類型為B類橋梁。

該大跨長聯(lián)連續(xù)梁橋只有一個(gè)固定墩，在縱向水平地震作用下受力集中，因此，對其抗震性能進(jìn)行深入的分析具有重要的意義。

圖1 橋型布置

2 計(jì)算模型

2.1 模型及邊界條件

采用橋梁分析軟件MidasCivil建立全橋力學(xué)模型進(jìn)行分析計(jì)算。建模時(shí)主梁、橋墩、承臺(tái)均采用空間梁單元來模擬，并計(jì)入地基變形的影響。模型邊界條件為：邊跨簡支墩底為完全固結(jié)，主墩底采用彈性支撐來模擬地基土對墩的約束作用，在承臺(tái)底用6個(gè)彈簧剛度模擬，支座采用彈性連接模擬，豎向約束自由度剛度取大值(108kN/m)，水平約束自由度剛度為0.3×108kN/m，活動(dòng)自由度方向剛度取0。計(jì)算以全橋?yàn)閷ο?，考慮兩側(cè)簡支結(jié)構(gòu)對主橋的地震響應(yīng)影響。最后得出的結(jié)構(gòu)空間動(dòng)力模型如圖2所示。

圖2 橋梁空間結(jié)構(gòu)動(dòng)力模型

2.2 設(shè)計(jì)地震動(dòng)時(shí)程

《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第 7.2.2 條規(guī)定，地震可采用人工擬合地震波進(jìn)行時(shí)程分析。在結(jié)構(gòu)分析中采用地震安評報(bào)告提供的地震動(dòng)時(shí)程。圖3為工程場地地震安全性報(bào)告提供的罕遇地震條件下的地震波時(shí)程。

(a) 50年2%-1號(hào)波波形

(b) 50年2%-2號(hào)波波形

(c) 50年2%-3號(hào)波波形圖3 罕遇地震條件下的地震波時(shí)程

3 地震響應(yīng)分析

3.1 多遇地震響應(yīng)分析與強(qiáng)度驗(yàn)算

多遇地震作用下，考慮橋墩在橫橋向地震與順橋向地震下的地震響應(yīng)。橫橋向地震響應(yīng)彎矩圖與順橋向地震響應(yīng)彎矩圖見圖4、圖5。

圖4 橫橋向地震響應(yīng)彎矩

圖5 順橋向地震響應(yīng)彎矩

在橫橋向地震作用下，活動(dòng)墩墩底最大彎矩為1.9×105kN·m，固定墩墩底彎矩為2.7×105kN·m，是活動(dòng)墩墩底最大彎矩的1.42倍，彎矩分配相對較為均勻；在順橋向地震作用下，活動(dòng)墩墩底最大彎矩為1.3×105kN·m，固定墩墩底彎矩為3.4×105kN·m，是活動(dòng)墩墩底最大彎矩的2.6倍，說明固定墩受力集中。

根據(jù)計(jì)算分析可知，橋墩控制截面位于墩底塑性鉸發(fā)展區(qū)域，因此，選取該區(qū)域作為強(qiáng)度驗(yàn)算對象。除11號(hào)固定墩外，8號(hào)至13號(hào)墩在橫橋向地震和順橋向地震都通過驗(yàn)算，11號(hào)墩在橫橋向地震作用下也通過驗(yàn)算，11號(hào)墩在順橋向地震作用下，墩底截面混凝土應(yīng)力為23.37MPa，超過混凝土容許壓應(yīng)力17.7MPa；鋼筋應(yīng)力536MPa，超過鋼筋容許應(yīng)力315MPa。

根據(jù)規(guī)范要求，多遇地震工況結(jié)構(gòu)應(yīng)處于彈性工作階段，但11號(hào)固定墩墩底截面鋼筋屈服，混凝土應(yīng)力過大可能發(fā)生破壞。因此，必須采取措施以改善這一不利情況。

3.2 罕遇地震作用非線性時(shí)程分析

鋼筋混凝土橋墩在罕遇地震作用下的彈塑性變形分析，按《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，進(jìn)行橋墩延性驗(yàn)算。延性應(yīng)滿足下式的要求：

式中：μu為非線性位移延性比；[μu]為允許位移延性比，取值為4.8。

驗(yàn)算有車、無車工況下，順橋向、橫橋向激勵(lì)情況下各墩的最大轉(zhuǎn)角延性比。11號(hào)固定墩各工況下最不利結(jié)果為順橋向地震無車荷載下，地震波時(shí)程選取人工波3時(shí)，最大曲率延性比為12.3。

根據(jù)公路橋梁抗震細(xì)則規(guī)定，單柱墩屈服位移可按下式計(jì)算：

此時(shí)，墩頂最大非線性位移為0.467m，而屈服位移為0.144m；最大位移延性比為3.24，未超過規(guī)范允許值4.8。

罕遇地震下，除11號(hào)固定墩外的其余墩縱、橫向地震最不利彎矩響應(yīng)值均未超過屈服彎矩，保持在彈性范圍之內(nèi)，固定墩橫向地震作用下保持在彈性范圍，縱橋向地震響應(yīng)彎矩超過屈服彎矩，但位移延性比滿足要求。

通過以上計(jì)算結(jié)果可知，本橋抗震主要存在兩個(gè)問題：

(1)多遇地震下固定墩墩底截面鋼筋與混凝土拉應(yīng)力均超標(biāo)；

(2)罕遇地震下固定墩縱向地震響應(yīng)彎矩超過屈服彎矩。

4 抗震改善措施

4.1 增加橋墩配筋

將固定墩墩底截面鋼筋由單肢d=25mm修改為雙肢d=28mm后，結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下，固定墩底混凝土應(yīng)力17.63MPa<[ 17.7MPa]7，鋼筋應(yīng)力288.3MPa<[315MPa]7，滿足規(guī)范要求。橋梁在罕遇地震作用下，固定墩曲率延性比最大5.86<[ 15.64]8，墩頂水平位移延性比3.06<[4.8]9，滿足規(guī)范要求。

在增設(shè)鋼筋后，在罕遇地震下，墩的位移延性能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，但固定墩受縱向力作用集中，通過采用精細(xì)化非線性梁柱纖維單元模擬結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)，經(jīng)時(shí)程分析發(fā)現(xiàn)墩底大約8 %核心混凝土壓潰喪失承載能力，結(jié)構(gòu)存在一定倒塌風(fēng)險(xiǎn)。且由于本橋主墩水深達(dá)10m以下，一旦開裂，深水下檢測、維修加固都很困難，故該橋應(yīng)提高設(shè)防水準(zhǔn)，將主墩作為能力保護(hù)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)在罕遇地震下不屈服。顯而易見，增設(shè)鋼筋等措施是不足以保證結(jié)構(gòu)達(dá)到該設(shè)防水準(zhǔn)。

4.2 增設(shè)速度鎖定裝置

因?yàn)樵摌驑蚨兆鳛槟芰ΡＷo(hù)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)(即保證罕遇地震下結(jié)構(gòu)地震需求小于結(jié)構(gòu)等效屈服強(qiáng)度)，設(shè)防目標(biāo)該為橋墩在罕遇地震下(50a2%概率，重現(xiàn)期 2 475a)結(jié)構(gòu)基本處于彈性狀態(tài)，震后不損壞或輕微損傷。安裝速度鎖定裝置使水平縱向地震力由固定墩與活動(dòng)墩共同承擔(dān)，能有效降低固定墩上的地震響應(yīng)。因此，在9號(hào)、10號(hào)、12號(hào)活動(dòng)墩上設(shè)置速度鎖定裝置(地震下等效鎖定剛度為 120kN/mm)，設(shè)置速度鎖定裝置后，橋墩在多遇地震和罕遇地震下的峰值彎矩對比見表1和表2。

表1 固定在加裝速度鎖前后多遇地震下的彎矩峰值對比

表2 固定墩加裝速度鎖定裝置后在罕遇地震下的響應(yīng)彎矩 kN·m

多遇地震下，地震響應(yīng)彎矩峰值降低至原結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的 61%，大大降低了結(jié)構(gòu)的地震不利作用，提高結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，結(jié)構(gòu)整體處于彈性狀態(tài)，鋼筋應(yīng)力和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。在罕遇地震下，整體結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)彎矩小于等效屈服彎矩，處于彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)達(dá)到要求。

5 結(jié)束語

本文將該橋橋墩作為能力保護(hù)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，即保證罕遇地震下結(jié)構(gòu)地震需求小于結(jié)構(gòu)等效屈服強(qiáng)度，提高了防護(hù)等級。大跨長聯(lián)連續(xù)梁橋由于縱向水平地震力集中于固定墩上，盡管通過增加固定墩鋼筋可解決其抗壓強(qiáng)度問題，但無法避免罕遇地震作用下的屈服開裂，通過在活動(dòng)墩頂設(shè)置速度鎖定裝置，可均衡分擔(dān)縱向水平地震力，效果顯著。因此，在大跨長聯(lián)連續(xù)梁的活動(dòng)主墩上設(shè)置速度鎖定裝置以減少固定墩的水平縱向地震力的方法可供同類橋梁借鑒使用。

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U442.5+5

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[定稿日期]2015-12-02