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(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司橋梁工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100055;2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

0 引言

汶川大地震導(dǎo)致多座橋梁被損壞，不僅造成了直接經(jīng)濟(jì)損失，還給緊急救援增加了難度。地震發(fā)生后，國(guó)內(nèi)的研究人員已經(jīng)開(kāi)始對(duì)地震引發(fā)的橋梁破壞展開(kāi)積極的調(diào)查和分析，并提出了很多建設(shè)性意見(jiàn)。近幾年，一部分橋梁抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)已修訂完成，并付諸實(shí)施。在鐵路橋梁領(lǐng)域，地震研究的問(wèn)題主要集中在橋梁地震響應(yīng)對(duì)鐵路的影響以及高速鐵路橋梁的抗震性能設(shè)計(jì)。為了列車(chē)的行駛安全，鐵路橋梁的橋墩通常被設(shè)計(jì)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(shí)際工程為例，通過(guò)建立全橋有限元模型，對(duì)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(jiǎn)支箱梁鐵路橋?yàn)檠芯繉?duì)象，見(jiàn)圖2，橋梁全長(zhǎng)145.3 m，設(shè)計(jì)時(shí)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。基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，橋墩樁基樁徑1.0 m，樁長(zhǎng)22 m。橋臺(tái)樁基樁徑1.25 m，樁長(zhǎng)31 m。每孔梁4個(gè)支座，分別為固定、橫向活動(dòng)、縱向活動(dòng)和多向活動(dòng)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(jì)規(guī)范》中的設(shè)計(jì)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(dāng)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(xiàn)性和樁—土相互作用效應(yīng)。梁部、橋墩和樁基采用3D梁?jiǎn)卧M，采用非線(xiàn)性桿單元模擬塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)，采用彈簧單元模擬樁與土的相互作用，活動(dòng)支座表現(xiàn)出雙線(xiàn)性遲滯行為，選用非線(xiàn)性桿單元模擬活動(dòng)支座，摩擦系數(shù)取為0.04。32m簡(jiǎn)支梁梁重為719 t，二期恒載為198 kN/m。橋梁墩臺(tái)編號(hào)從左至右為0號(hào)～4號(hào)。

在結(jié)構(gòu)周期和模態(tài)分析中，使用等效線(xiàn)剛度來(lái)表現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性行為。計(jì)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(qiáng)度和延性

對(duì)于常規(guī)的鐵路橋梁橋墩來(lái)說(shuō)，縱向鋼筋是沿著橋墩截面周長(zhǎng)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(duì)于箍筋內(nèi)部的混凝土并沒(méi)有產(chǎn)生任何影響。

為了增強(qiáng)鋼筋對(duì)混凝土的側(cè)向壓力，本文提出了一種改進(jìn)的鋼筋布置形式，如圖3b)所示。在橋墩截面內(nèi)，增加三個(gè)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(duì)上面提到兩種截面類(lèi)型做彎矩—曲率分析，如圖2所示的工程中，每個(gè)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(xiàn)性模型。

等效塑性鉸長(zhǎng)度計(jì)算公式如下:

式中:Lp——等效塑性鉸長(zhǎng)度，mm;

H——橋墩高度或塑性鉸到彎矩拐點(diǎn)間的距離，mm;

fy——縱向受力鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa;

ds——縱向受力鋼筋直徑，MPa。

圖3 兩種類(lèi)型的橋墩截面

分別計(jì)算了兩種類(lèi)型的橋墩在縱向、橫向的強(qiáng)度和延性，如表1，表2和圖4所示。

表1 橋墩截面縱向強(qiáng)度和延性

表2 橋墩截面橫向強(qiáng)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(duì)比結(jié)果表明，本文提出的鋼筋布置形式在強(qiáng)度和延性?xún)煞矫娑家獌?yōu)于常規(guī)形式。

3 抗震性能評(píng)估

本文對(duì)上述提到的兩種橋墩做了罕遇地震下的非線(xiàn)性動(dòng)力計(jì)算，并從以下兩方面進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 橋墩塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)分析

在劇烈的地震中，橋墩塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)能力對(duì)橋梁的安全具有非常重要的意義。非線(xiàn)性動(dòng)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(huì)發(fā)生屈服。塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)角度如表3，表4所示。從表中可以看出，對(duì)于延性改良后的橋墩和常規(guī)橋墩來(lái)說(shuō)，塑性鉸的抗震計(jì)算實(shí)際值僅有細(xì)微的差別，但是，兩種類(lèi)型橋墩的轉(zhuǎn)動(dòng)能力具有明顯的不同。

對(duì)于延性改良的橋墩方案，在上文提到的三種地震波的激勵(lì)下，所有的橋墩在縱向、橫向均表現(xiàn)出足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)能力。但是，對(duì)于常規(guī)橋墩方案來(lái)說(shuō)，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(dòng)能力均表現(xiàn)不足;2號(hào)橋墩在三種地震波的作用下，橫向的轉(zhuǎn)動(dòng)能力不足。

表3 橋墩縱向塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng) ×10－3 rad

表4 橋墩橫向塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng) ×10－3 rad

延性改良橋墩的塑性鉸在兩個(gè)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(hào)橋墩塑性鉸的彎矩—轉(zhuǎn)角滯回關(guān)系曲線(xiàn)

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(guò)程中能量耗散的情況。

3.2 活動(dòng)支座位移分析

支座的變形能力對(duì)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(dòng)支座位移的計(jì)算值和允許值。對(duì)于不同的墩臺(tái)，支座位移值也不盡相同，1號(hào)橋墩和4號(hào)橋臺(tái)的位移值比2號(hào)、3號(hào)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(xiàn)性行為，但是對(duì)于支座的響應(yīng)，基本振型仍然是主導(dǎo)因素。對(duì)于1號(hào)橋墩和4號(hào)橋臺(tái)，縱向活動(dòng)支座的位移允許值/計(jì)算值分別是0.6和0.7。因此，無(wú)論采用何種類(lèi)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(lái)控制支座的位移。

表5 縱向活動(dòng)支座的位移 cm

1號(hào)橋墩和2號(hào)橋墩縱向活動(dòng)支座的力—位移曲線(xiàn)如圖6所示。通過(guò)活動(dòng)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(hào)橋墩和2號(hào)橋墩活動(dòng)支座縱向剪力—位移曲線(xiàn)

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)中國(guó)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(jì)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(duì)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(shí)際工程，利用Midas Civil建立兩種橋墩的有限元模型，進(jìn)行抗震性能對(duì)比研究。在不同地震波的作用下，進(jìn)行罕遇地震非線(xiàn)性動(dòng)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(dòng)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(duì)于墩高基本相同的橋梁，雖然橋梁的局部產(chǎn)生了非線(xiàn)性行為，但是第1階縱向振型和第1階橫向振型仍然對(duì)結(jié)構(gòu)起主導(dǎo)作用。

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

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

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

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

［4］丁明波，陳興沖.客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)橋墩—基礎(chǔ)滯回特性的模型試驗(yàn)研究［J］.蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，27(3):5-8.

［5］鄭 健.中國(guó)高速鐵路橋梁［M］.北京:高等教育出版社，2008.