矮墩鐵路橋梁抗震體系研究

楊喜文　鐘建輝　馮福洋

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京　100055)

Research on Aseismic System of Railway Bridge with Short Piers

YANG Xiwen　ZHONG Jianhui　FENG Fuyang

矮墩鐵路橋梁抗震體系研究

楊喜文鐘建輝馮福洋

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京100055)

Research on Aseismic System of Railway Bridge with Short Piers

YANG XiwenZHONG JianhuiFENG Fuyang

摘要矮墩鐵路橋梁無法利用墩柱延性抗震，設計中常采用提高固定墩強度或設置多固定墩的方法抵抗罕遇地震。因地震荷載的不確性，該方法不能確定彈塑性變形和能力耗散部位，造價高且不安全。以一座(60+100+60) m雙線鐵路矮墩橋梁為背景，分別采用單固定墩體系、雙固定墩體系和隔震體系對罕遇地震進行抗震分析與比較。結果表明，雙固定墩體系不能起到分擔地震荷載的作用，而隔震體系能顯著減小下部結構的地震內力且地震荷載傳力途徑明確。

關鍵詞橋梁抗震抗震體系矮墩鐵路橋梁

鐵路橋梁的橋墩截面尺寸較大，常常會出現高寬比小于2.5的情況，參考現行公路橋梁抗震設計規范[1]，這種橋墩被稱為矮墩，在地震作用下其破壞形式主要為脆性的剪切破壞，不能依靠其延性抵抗罕遇地震。抗震設計中常常采用以下兩種方法解決矮墩橋梁的罕遇地震抗震問題：①加強支座或擋塊的抗剪能力、固定墩的配筋和基礎布置；②在活動墩上設置速度鎖定裝置，地震作用下形成雙固定或多固定體系[2，3]。二者的共同特點是通過提高橋梁的強度來抵抗罕遇地震，即所謂的強度抗震；尤其是第2種方法，由于多固定墩體系增加了結構縱向的剛度，導致上部結構慣性力增加，常常出現原固定墩的地震力沒有明顯減小，新固定墩的地震力顯著增加的現象，不僅起不到分攤地震力的作用，而且導致所有固定墩均需要提高強度和基礎布置。

對于鐵路矮墩橋梁，可以選擇墩-梁連接裝置作為地震破壞和能量耗散部位，在罕遇地震下形成隔震的抗震體系[4]。分別采用單固定、雙固定和隔震3種體系，對一座跨度為(60+100+60) m的雙線鐵路矮墩橋梁進行抗震分析比較，從抗震設計理念和計算結果兩個方面論述矮墩橋梁強度抗震的不合理性和隔震設計的有效性，為矮墩鐵路橋梁的抗震設計提供參考。

1工程背景

1.1　結構布置

圖1所示為一座跨度為(60+100+60) m的雙線鐵路連續梁截面布置，中支點頂板厚0.4 m，底板厚1.2 m，腹板厚1.0 m；邊支點和跨中頂板厚0.4 m，底板厚0.4 m，腹板厚0.6 m。梁體自重和二期恒載總重154 596 kN，中支點恒載支反力為67 749 kN，邊支點恒載支反力為9 549 kN。

中墩高10.0 m，圓端形截面，順橋向寬4.6 m，橫橋向長9.2 m，承臺尺寸為19.1 m×13.8 m×4.0 m，基礎為12根φ2.0 m鉆孔灌注樁；邊墩高13.0 m，圓端形截面，順橋向寬3.6 m，橫橋向長8.0 m，承臺尺寸為12.2 m×8.9 m×2.5 m，基礎為12根φ1.25 m鉆孔灌注樁。橋址場地為Ⅱ類場地，樁側土m值為20 000 kN/m4。

圖1　連續梁斷面布置(單位：cm)

1.2　地震荷載

地震荷載采用2008年汶川地震中在什邡八角、汶川臥龍和綿竹清平記錄到的3條地震波，如圖2所示。圖2(d)為汶川地震波的反應譜與規范罕遇地震反應譜的比較。地震荷載分別沿順橋向和橫橋向輸入，取3條地震波地震反應的最大值作為分析結果。

圖2　地震荷載

1.3　有限元模型與抗震體系

結構的總體有限元模型如圖3所示，主梁和橋墩均采用梁單元建模，在承臺底施加6×6彈簧模擬樁基的柔性，彈簧剛度采用m法確定。考慮相鄰橋跨的影響，兩側各建立一跨32 m簡支梁模型。

圖3　有限元模型

分析所采用的3種抗震體系：(1)單固定墩體系，3號墩縱向固定，橫向全部固定；(2)雙固定墩體系，2號墩設置縱向速度鎖定裝置，地震下2號和3號墩縱向雙固定，橫向全部固定；(3)隔震體系，將支座作為彈塑性變形和能量耗散構件，連續梁4個橋墩上均設置隔震支座，罕遇地震下縱橫向同時隔震。

在非線性時程分析中考慮活動支座的摩擦效應和隔震支座的非線性效應，二者均采用PlasticWen模型建模[5]。如圖4所示，屈服力Fy取支座恒載軸力R乘以動摩擦系數，初始剛度K0為屈服力Fy與屈服位移δy(即滑動起始靜位移)之比，Kp為滑動后的恢復力剛度，普通摩擦支座取0，隔震支座根據具體的類型確定，此處取0.025K0。

圖4　支座的滯回模型

2分析結果

圖5所示為3種抗震體系在縱、橫向的墩-梁相對位移；圖6所示為3號墩隔震支座在縱、橫的剪力-變形滯回曲線；圖7為順橋向墩底的地震剪力和彎矩；圖8為橫橋向墩底的地震剪力和彎矩。

圖5　墩-梁相對位移反應

圖6　隔震支座剪力-變形滯回曲線

圖7　順橋向墩底地震內力

圖8　橫橋向墩底地震內力

分析結果表明：因支座發生彈塑性變形，隔震體系墩-梁相對位移明顯大于其他2種抗震體系，其值約為0.30 m。可以通過構造措施滿足這一位移量，因隔震支座發生彈塑性變形，使得整個結構體系的剛度顯著減小，進而使得固定中墩的地震內力顯著減小；雙固定墩并沒有起到分擔地震力的作用，相反由于體系剛度增加導致地震慣性力增大，使得雙固定墩體系的地震內力并沒有顯著小于單固定墩體系，既增加了投入，又沒有解決抗震問題。震害調查和研究[6]表明，利用結構強度抵抗罕遇地震是一種錯誤的抗震理念，由于地震荷載的不確定性，無法確定其真實大小，如汶川地震荷載明顯大于規范給出的罕遇地震荷載。采用強度抗震方法設計的橋梁表面上能抵抗罕遇地震，滿足規范要求，實際上沒有對橋梁在罕遇地震下的破壞方式和能量耗散位置進行設計。對于矮墩橋梁，強度抗震方法既增加了建筑材料用量，又不安全；而隔震體系的地震荷載傳力途徑明確，又不需要強大的下部結構，其抗震體系合理有效。

3結論

(1)由于地震荷載的不確定性，矮墩鐵路橋梁采用加強結構強度來抵抗罕遇地震的理念是錯誤的，這種抗震體系缺乏對結構破壞方式和能力耗散部位的設計，大地震下其破壞方式不可控，結構并不安全。

(2)地震下多固定墩體系會顯著增加矮墩橋梁的整體剛度，導致結構地震慣性力顯著增加，不僅起不到分擔地震荷載的作用，反而使得所有固定墩均需要承擔較大的地震荷載，材料用量增加卻不能解決抗震問題。

(3)對于矮墩橋梁，隔震體系的地震荷載傳力途徑和能量耗散部位明確，而且可以顯著減小下部結構的地震內力，是一種合理有效的抗震方法。

參考文獻

[1]JTG/T B02—01—2008公路橋梁抗震設計細則[S]

[2]胡建明.大慶至廣州高速公路流溪河特大橋八跨連續梁采用速度鎖定支座減震分析[J].四川建筑,2013,33(1):133-135

[3]侯海彪,黃志毅,許明杰.成灌線連續梁速度鎖定支座的設計及應用[J].價值工程,2012(27):136-138

[4]R. S. Jangid. Stochastic Response of Bridges Seismically Isolated by Friction Pendulum System[J]. J. Bridge Eng., 2008,13(4):319-330

[5]Hanson R D, Aiken I D, Nims D K, et al. State-of-the-art and state-of-the-practice in seismic energy dissipation[A]. In Proceedings of Seminar on Seismic Isolation, Passive Energy Dissipation, and Active Control[C], 1993:449-471

[6]Priestley M J N, Seible F. Seismic design and retrofit of bridges[M]. Wiley-Interscience, 1996.

中圖分類號：U442.5+5

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)02-0097-03

作者簡介：第一楊喜文(1981—)，男，博士，工程師。

收稿日期：2015-01-08