鐵路高墩大跨T構(gòu)橋梁抗震性能分析

中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，重慶 400023

由于T構(gòu)橋梁主墩無支座便于后期維護(hù)，跨徑布置靈活適合山區(qū)溝谷地形，故在鐵路橋梁工程中多有應(yīng)用。隨著我國鐵路建設(shè)的迅猛發(fā)展，T構(gòu)橋跨度及墩高也越來越大。許多研究人員已開展了相關(guān)研究工作，但主要集中在參數(shù)比選及靜力計(jì)算方面，關(guān)于T構(gòu)墩抗震計(jì)算的研究整體偏少[1-2]。目前部分研究主要針對(duì)矮墩T構(gòu)及T構(gòu)連續(xù)梁[3-4]，對(duì)高墩大跨T構(gòu)的抗震分析仍較少，因此有必要對(duì)鐵路高墩大跨T構(gòu)抗震性能進(jìn)行研究。

1 工程概況

文章以某鐵路（2×120）m T構(gòu)為分析對(duì)象。其梁體采用單箱單室變高度截面，主墩及大里程交接墩均采用空心墩，小里程側(cè)接橋臺(tái)。梁體設(shè)計(jì)二期恒載為120kN/m，主墩高99m，大里程交接墩高24m，主墩順橋向均為11m，橫橋向采用1∶20放坡。

2 有限元模型及自振特性

利用Midas/civil建立主橋空間梁?jiǎn)卧?jì)算模型，全橋計(jì)算模型見圖1。采用空間梁?jiǎn)卧M梁部及橋墩，通過剛臂模擬墩梁連接，通過彈性連接模擬邊支座，主墩底部樁基約束剛度通過節(jié)點(diǎn)彈性支承模擬，樁基約束剛度通過M法計(jì)算得到。主梁采用C55混凝土，橋墩采用C40混凝土。

圖1 全橋計(jì)算模型

橋梁自振特性反應(yīng)結(jié)構(gòu)整體剛度，直接決定了結(jié)構(gòu)在地震荷載下的受力大小，同時(shí)反應(yīng)譜分析也需要自振特性分析明確地震激勵(lì)下的主要陣型，確定反應(yīng)譜分析時(shí)所需的陣型數(shù)量。文章利用子空間迭代法對(duì)結(jié)構(gòu)的自振特性進(jìn)行分析，自振特性見表1，陣型見圖2。

表1 自振特性

圖2 （2×120）m T構(gòu)主要陣型

根據(jù)自振特性分析，前25階次陣型水平方向的參與質(zhì)量達(dá)到整個(gè)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的98%，滿足反應(yīng)譜分析要求。

3 地震作用分析

依據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50111—2006），采用三水準(zhǔn)設(shè)防，抗震設(shè)防目標(biāo)及分析方法見表2。

表2 抗震設(shè)防目標(biāo)及分析方法

多遇地震及設(shè)計(jì)地震需與恒載及活載組合，其中橫向地震作用下需要考慮50%活載引起的地震力，作用于軌頂以上2m位置，縱向地震作用時(shí)可忽略活載地震力；罕遇地震時(shí)僅考慮恒載與地震力組合。

3.1 反應(yīng)譜分析

依據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50111—2006），多遇地震及設(shè)計(jì)地震采用反應(yīng)譜法進(jìn)行分析，多遇地震及設(shè)計(jì)地震反應(yīng)譜采用安評(píng)報(bào)告中提供的數(shù)據(jù)，反應(yīng)譜設(shè)計(jì)參數(shù)見表3，反應(yīng)譜計(jì)算公式如下：

表3 多遇地震及設(shè)計(jì)地震反應(yīng)譜參數(shù)（阻尼比值為5%）

式中：T為反應(yīng)譜周期；Amax為峰值加速度；T0、Tg均為反應(yīng)譜拐點(diǎn)周期；Sa(T)為周期為T時(shí)的反應(yīng)譜值；βm為相對(duì)反應(yīng)譜最大值；C為衰減指數(shù)。

反應(yīng)譜分析保守取前100階陣型進(jìn)行計(jì)算，為考慮陣型耦合的影響文章選擇CQC方法進(jìn)行模態(tài)組合。主墩設(shè)置兩層直徑為32mm的HRB400鋼筋，間距為12.5cm時(shí)，計(jì)算結(jié)果見表4～表6。

表4 多遇地震主墩檢算結(jié)果 單位：MPa

表5 橫向設(shè)計(jì)地震支座檢算 單位：kN

表6 縱向設(shè)計(jì)地震支座檢算 單位：mm

綜上，該橋在多遇地震作用下結(jié)構(gòu)受力滿足規(guī)范要求，不控制設(shè)計(jì)；橫向設(shè)計(jì)地震作用下支座橫向設(shè)計(jì)承載力滿足規(guī)范要求；順橋向設(shè)計(jì)地震作用下支座縱向活動(dòng)能力及梁縫值均能適應(yīng)地震作用引起的縱向位移，但富余量較小，若地震時(shí)的系統(tǒng)溫度與合龍溫度有差異則可能引起頂梁，故建議梁端設(shè)置宜損壞的縱向限位擋塊來吸收地震能力[5]。

3.2 時(shí)程分析

考慮到該橋?yàn)殍F路高墩大跨T構(gòu)，后期維修難度較大，養(yǎng)護(hù)成本較高，故罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)宜基本處于彈性范圍內(nèi)，且規(guī)范中位移延性比僅適用規(guī)則橋墩，對(duì)于高墩并不適用[6]。

罕遇地震時(shí)程數(shù)據(jù)見圖3，提取墩頂、墩底最不利時(shí)刻的軸力、彎矩，對(duì)檢算截面進(jìn)行M-φ曲線分析，判斷截面是否進(jìn)入塑性，檢算結(jié)果見表7、表8。

表7 罕遇地震橋墩彎矩檢算

表8 罕遇地震橋墩剪力檢算

圖3 罕遇地震人工時(shí)程

綜上所述，該橋在罕遇地震作用下橋墩在各個(gè)方向上的抗剪均處于彈性階段，罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生脆性破壞；在順橋罕遇地震作用下，墩頂截面進(jìn)入塑性，墩底截面仍在彈性范圍，由于該橋主墩高達(dá)99m，養(yǎng)護(hù)條件困難、加固成本較高，故可通過抗震結(jié)果反向指導(dǎo)墩頂截面的配筋，通過增加適量的墩頂截面鋼筋使其維持彈性狀態(tài)。根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50111—2006）的要求，梁端還應(yīng)設(shè)置防落梁裝置，橋臺(tái)控制錐坡坡度，加強(qiáng)樁基、承臺(tái)配筋。

4 結(jié)論

（1）由于不在地震高烈度區(qū)域，多遇地震并不控制高墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)地震作用下，鐵路高墩大跨T構(gòu)橋的橫橋向剪力較大，應(yīng)提高支座噸位或進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)；鐵路高墩大跨T構(gòu)橋的縱向位移較大，梁端應(yīng)采取措施吸收地震能量。

（2）由于剪切破壞為脆性破壞，罕遇地震作用下鐵路高墩大跨T構(gòu)橋的主墩必須具有足夠的抗剪承載力；對(duì)于高墩大跨及修復(fù)難度大的結(jié)構(gòu)，罕遇地震作用下主體結(jié)構(gòu)應(yīng)（基本）保持彈性。

（3）罕遇地震作用下，可通過加強(qiáng)鋼筋、調(diào)整截面以及增設(shè)阻尼器等方式使主墩保持在彈性狀態(tài)；若橋址位于高烈度地區(qū)，建議調(diào)整線路線形，控制橋梁高度，減小橋梁跨度。