大跨長聯鐵路連續梁橋抗震分析

劉 毅

(中鐵二院土建一院， 四川成都 610031)

大跨長聯鐵路連續梁橋抗震分析

劉 毅

(中鐵二院土建一院， 四川成都 610031)

以某大跨長聯鐵路連續梁橋為例，對該橋在多遇地震和罕遇地震作用下進行動力性能抗震分析，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，提高結構的安全性。

大跨長聯連續梁； 鎖定裝置； 抗震分析； 減震措施

1 工程概況

某大跨長聯連續梁橋，孔跨布置為(68+3×128+68)m連續梁。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，橋梁的主墩為實心混凝土墩，從下圖上看，從左至右分別為8號、9號、10號、11號、12號、13

號橋墩，其中11號橋墩為固定支座，其余為活動支座。橋型布置如圖1。本橋位于7度設防區域，設計地震峰值加速度為0.13 g/s2，結構類型為B類橋梁。

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

圖1 橋型布置

2 計算模型

2.1 模型及邊界條件

采用橋梁分析軟件MidasCivil建立全橋力學模型進行分析計算。建模時主梁、橋墩、承臺均采用空間梁單元來模擬，并計入地基變形的影響。模型邊界條件為：邊跨簡支墩底為完全固結，主墩底采用彈性支撐來模擬地基土對墩的約束作用，在承臺底用6個彈簧剛度模擬，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，活動自由度方向剛度取0。計算以全橋為對象，考慮兩側簡支結構對主橋的地震響應影響。最后得出的結構空間動力模型如圖2所示。

圖2 橋梁空間結構動力模型

2.2 設計地震動時程

《鐵路工程抗震設計規范》第 7.2.2 條規定，地震可采用人工擬合地震波進行時程分析。在結構分析中采用地震安評報告提供的地震動時程。圖3為工程場地地震安全性報告提供的罕遇地震條件下的地震波時程。

(a) 50年2%-1號波波形

(b) 50年2%-2號波波形

(c) 50年2%-3號波波形圖3 罕遇地震條件下的地震波時程

3 地震響應分析

3.1 多遇地震響應分析與強度驗算

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。橫橋向地震響應彎矩圖與順橋向地震響應彎矩圖見圖4、圖5。

圖4 橫橋向地震響應彎矩

圖5 順橋向地震響應彎矩

在橫橋向地震作用下，活動墩墩底最大彎矩為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，是活動墩墩底最大彎矩的2.6倍，說明固定墩受力集中。

根據計算分析可知，橋墩控制截面位于墩底塑性鉸發展區域，因此，選取該區域作為強度驗算對象。除11號固定墩外，8號至13號墩在橫橋向地震和順橋向地震都通過驗算，11號墩在橫橋向地震作用下也通過驗算，11號墩在順橋向地震作用下，墩底截面混凝土應力為23.37MPa，超過混凝土容許壓應力17.7MPa；鋼筋應力536MPa，超過鋼筋容許應力315MPa。

根據規范要求，多遇地震工況結構應處于彈性工作階段，但11號固定墩墩底截面鋼筋屈服，混凝土應力過大可能發生破壞。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《鐵路工程抗震設計規范》規定，進行橋墩延性驗算。延性應滿足下式的要求：

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。

驗算有車、無車工況下，順橋向、橫橋向激勵情況下各墩的最大轉角延性比。11號固定墩各工況下最不利結果為順橋向地震無車荷載下，地震波時程選取人工波3時，最大曲率延性比為12.3。

根據公路橋梁抗震細則規定，單柱墩屈服位移可按下式計算：

此時，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，未超過規范允許值4.8。

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

通過以上計算結果可知，本橋抗震主要存在兩個問題：

(1)多遇地震下固定墩墩底截面鋼筋與混凝土拉應力均超標；

(2)罕遇地震下固定墩縱向地震響應彎矩超過屈服彎矩。

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，結構在多遇地震作用下，固定墩底混凝土應力17.63MPa<[ 17.7MPa]7，鋼筋應力288.3MPa<[315MPa]7，滿足規范要求。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，滿足規范要求。

在增設鋼筋后，在罕遇地震下，墩的位移延性能滿足設計規范要求，但固定墩受縱向力作用集中，通過采用精細化非線性梁柱纖維單元模擬結構在地震作用下的響應，經時程分析發現墩底大約8 %核心混凝土壓潰喪失承載能力，結構存在一定倒塌風險。且由于本橋主墩水深達10m以下，一旦開裂，深水下檢測、維修加固都很困難，故該橋應提高設防水準，將主墩作為能力保護構件進行設計，保證結構在罕遇地震下不屈服。顯而易見，增設鋼筋等措施是不足以保證結構達到該設防水準。

4.2 增設速度鎖定裝置

因為該橋橋墩作為能力保護構件進行設計(即保證罕遇地震下結構地震需求小于結構等效屈服強度)，設防目標該為橋墩在罕遇地震下(50a2%概率，重現期 2 475a)結構基本處于彈性狀態，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墩共同承擔，能有效降低固定墩上的地震響應。因此，在9號、10號、12號活動墩上設置速度鎖定裝置(地震下等效鎖定剛度為 120kN/mm)，設置速度鎖定裝置后，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彎矩 kN·m

多遇地震下，地震響應彎矩峰值降低至原結構地震響應的 61%，大大降低了結構的地震不利作用，提高結構安全系數，結構整體處于彈性狀態，鋼筋應力和結構強度滿足規范要求。在罕遇地震下，整體結構的地震響應彎矩小于等效屈服彎矩，處于彈性狀態，結構性能水準達到要求。

5 結束語

本文將該橋橋墩作為能力保護構件進行設計，即保證罕遇地震下結構地震需求小于結構等效屈服強度，提高了防護等級。大跨長聯連續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，通過在活動墩頂設置速度鎖定裝置，可均衡分擔縱向水平地震力，效果顯著。因此，在大跨長聯連續梁的活動主墩上設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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[定稿日期]2015-12-02