高烈度地震區(qū)高速鐵路小跨橋梁結(jié)構(gòu)之探討

井江永

【摘 要】本文以某高速鐵路工程為背景，針對(duì)高速鐵路中小跨橋梁常用的整體式簡(jiǎn)支箱梁橋和小剛架橋2種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行對(duì)比，以為該類橋梁結(jié)構(gòu)選型提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】高速鐵路；橋梁結(jié)構(gòu)

一、引言

我國(guó)西部及部分東南亞國(guó)家地震烈度高，在這些地區(qū)修建高速鐵路，橋梁尤其中小跨橋梁占比高，因此中小跨橋梁結(jié)構(gòu)的合理選型對(duì)于保證高速鐵路在地震作用下的安全性以及投資控制均有非常大的影響，其重要性不言而喻。

二、工程背景

某高速鐵路線路全長(zhǎng)約142.3km，設(shè)計(jì)運(yùn)行速度350km/h。根據(jù)橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范給定的地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖，高鐵沿線地震動(dòng)峰值加速度相當(dāng)于我國(guó)抗震規(guī)范地震烈度8度0.3g及9度0.4g的水平，地震烈度高，抗震設(shè)計(jì)難度大。

為詳細(xì)對(duì)比分析整體式簡(jiǎn)支箱梁橋和小剛架橋設(shè)計(jì)方案在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮到小剛架橋?yàn)槌o定結(jié)構(gòu)，不適用于地質(zhì)條件較差的區(qū)段，因此選取附近線路共1km左右的區(qū)段開(kāi)展試設(shè)計(jì)。

三、抗震性能分析

（一）簡(jiǎn)支梁橋方案

簡(jiǎn)支梁橋方案主梁采用單箱單室整體式箱梁，主梁頂板寬12.2m，梁高2.8m。橋墩采用雙線圓端形橋墩，墩身截面尺寸為4.5m×2m。主梁材料采用C50混凝土，墩身材料采用C40混凝土和HRB400鋼筋。

根據(jù)該區(qū)段地震動(dòng)參數(shù)，采用擬合我國(guó)鐵路規(guī)范反應(yīng)譜的3條地震波，按我國(guó)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行橋墩抗震設(shè)計(jì)。采用大型有限元軟件MIDASCivil建立簡(jiǎn)支梁橋整體抗震計(jì)算模型，為排除邊界效應(yīng)的影響，選取4跨32m簡(jiǎn)支梁進(jìn)行計(jì)算，取中間橋墩地震響應(yīng)進(jìn)行分析。由于主梁橫向支座間距較小，墩頂采用2個(gè)固定支座、2個(gè)縱向活動(dòng)支座；基礎(chǔ)底部采用土彈簧模擬地基與結(jié)構(gòu)的相互作用。

由于該橋處于高速鐵路，采用普通支座的橋梁，支座縱、橫向限位裝置破壞后，固定支座變成滑動(dòng)支座工作，整個(gè)結(jié)構(gòu)體系變成了純滑動(dòng)摩擦體系，純滑動(dòng)摩擦體系雖然能有效減小橋墩和基礎(chǔ)的地震響應(yīng)，對(duì)下部結(jié)構(gòu)有一定的保護(hù)作用，但該體系無(wú)恢復(fù)力，震后不能回到正常位置，不是一種期望的合理抗震體系。而采用減隔震支座的簡(jiǎn)支梁橋，大震作用下，支座剪力銷剪斷，上、下支座板滑動(dòng)，類似于普通支座破壞時(shí)的情況，減震效果好，有效保護(hù)了橋墩和樁基，同時(shí)該結(jié)構(gòu)體系具有自恢復(fù)能力，大震后修復(fù)簡(jiǎn)單。因此，簡(jiǎn)支梁橋方案采用減隔震支座。

考慮到雙曲面球型減隔震支座減震性能好、設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)且具有自復(fù)位能力等優(yōu)點(diǎn)，本文采用雙曲面球型減隔震支座開(kāi)展抗震設(shè)計(jì)。根據(jù)我國(guó)鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，抗震設(shè)計(jì)分多遇地震和罕遇地震2個(gè)階段進(jìn)行。

（1）多遇地震。多遇地震控制橋墩配筋。該橋多遇地震峰值加速度為0.14g，相當(dāng)于我國(guó)鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中地震烈度9度的水平。橋墩墩底配置直徑32mm的HRB400鋼筋，雙筋，間距12cm，配筋率1.63%。

（2）罕遇地震。罕遇地震檢算橋墩是否滿足大震不倒的性能水準(zhǔn)。經(jīng)計(jì)算，在縱、橫向罕遇地震下，中間橋墩墩底截面軸力均為16002kN，彎矩分別為55921kN·m、62175kN·m，減隔震支座起作用后，減震率分別達(dá)到了78.9%和83.8%。

根據(jù)簡(jiǎn)支梁橋抗震性能分析結(jié)論可知，高速鐵路采用減隔震支座的整體式簡(jiǎn)支箱梁橋，抗震性能好，主體結(jié)構(gòu)震后仍能保持彈性，此外，結(jié)合我國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)實(shí)踐，其車-橋耦合振動(dòng)特性也能滿足高速鐵路列車運(yùn)營(yíng)要求。

（二）小剛架橋方案

小剛架橋方案采用雙層小剛架，梁跨中部設(shè)置中橫梁，高1.1m；端部設(shè)置端橫梁，高1.4m；下部采用雙肢矩形橋墩，墩身截面尺寸為1.5m×1.5m，墩柱橫向中心間距6m。主梁材料采用C50混凝土，墩身材料采用C40混凝土和HRB400鋼筋。

采用MIDASCivil建立小剛架橋整體抗震計(jì)算模型，選取3跨12m小剛架進(jìn)行計(jì)算，墩梁均采用空間梁?jiǎn)卧M，簡(jiǎn)支板重量、二期恒載等轉(zhuǎn)換為質(zhì)量計(jì)入，將地基土對(duì)結(jié)構(gòu)的約束作用簡(jiǎn)化成轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧及平動(dòng)彈簧施加在橋墩底部。

1.橋墩抗震設(shè)計(jì)

（1）多遇地震。以受力最不利的2號(hào)橋墩為例進(jìn)行說(shuō)明。橋墩配置直徑28mm的HRB400鋼筋，雙筋，間距約10cm，配筋率為3.06%。此時(shí)，在縱向和橫向多遇地震下，2號(hào)墩墩底截面軸力分別為1179kN和210.4kN；彎矩分別為7652.8kN·m和5804.3kN·m，混凝土壓應(yīng)力分別為11.8MPa和8.7MPa；鋼筋拉應(yīng)力分別為206.0MPa和166.1MPa。多遇地震作用下混凝土壓應(yīng)力許用值為20.25MPa；鋼筋拉應(yīng)力許用值為315MPa，混凝土壓應(yīng)力及鋼筋拉應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

（2）罕遇地震。根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]，當(dāng)截面最外側(cè)鋼筋開(kāi)始屈服時(shí)認(rèn)為結(jié)構(gòu)進(jìn)入屈服狀態(tài)。此時(shí)橋墩產(chǎn)生的最大位移即為橋墩的屈服位移，墩底截面承受的彎矩即為屈服彎矩。同樣以2號(hào)橋墩為例進(jìn)行說(shuō)明?？v向地震作用下，2號(hào)墩墩底屈服彎矩為16340kN·m；屈服曲率為2.25×10-3rad/m；墩頂順橋向最大位移為124.2mm，屈服時(shí)刻位移為85.6mm，其非線性位移延性比為1.45。橫向地震作用下，2號(hào)墩墩底屈服彎矩為12480kN·m；屈服曲率為2.07×10-3rad/m；墩頂橫橋向最大位移為116.8mm，屈服位移為74.2mm，其非線性位移延性比為1.57。非線性位移延性比容許值為4.8，故2號(hào)墩縱、橫向位移延性均滿足規(guī)范要求。綜上，小剛架橋在罕遇地震作用下墩底截面將發(fā)生屈服，形成塑性鉸耗能，但滿足大震不倒的性能水準(zhǔn)。

2.車-橋耦合振動(dòng)分析

（1）國(guó)產(chǎn)CRH3和日本E500高速列車以250～420km/h通過(guò)小剛架橋時(shí)，小剛架橋的主梁動(dòng)力響應(yīng)（包括主梁振動(dòng)位移、振動(dòng)加速度以及梁端轉(zhuǎn)角等）均滿足要求。動(dòng)車和拖車的車體豎、橫向振動(dòng)加速度均滿足要求。列車行車安全性滿足要求。（2）在橋梁設(shè)計(jì)速度所有計(jì)算工況（國(guó)產(chǎn)CRH3和日本E500高速列車以250～350km/h通過(guò)橋梁時(shí)）下，列車乘坐舒適度均達(dá)到“良好”標(biāo)準(zhǔn)以上。（3）在橋梁檢算速度所有計(jì)算工況（國(guó)產(chǎn)CRH3和日本E500高速列車以375～420km/h通過(guò)橋梁時(shí)）下，列車乘坐舒適度指標(biāo)達(dá)到“合格”標(biāo)準(zhǔn)以上。由此可知，小剛架橋具有良好的動(dòng)力特性及列車走行性能，國(guó)產(chǎn)CRH3和日本E500高速列車通過(guò)橋梁時(shí)的安全性和乘坐舒適性指標(biāo)均滿足要求。

根據(jù)小剛架橋抗震設(shè)計(jì)以及車-橋耦合振動(dòng)分析結(jié)論可知，小剛架橋無(wú)論是抗震性能還是車-橋動(dòng)力性能均能滿足高速鐵路列車運(yùn)營(yíng)的要求。

四、結(jié)論

（1）高速鐵路，簡(jiǎn)支箱梁橋由于墩梁通過(guò)支座連接，可采用減隔震支座，在罕遇地震作用下橋墩保持彈性，僅支座螺栓發(fā)生剪斷，震后修復(fù)快。

（2）小剛架橋整體性較好，可有效防止落梁震害。高速鐵路，小剛架橋抗震性能滿足規(guī)范要求，且能滿足高速鐵路列車運(yùn)營(yíng)的要求。但小剛架橋墩梁固結(jié)，只能通過(guò)墩柱自身的塑性變形耗能，罕遇地震下橋墩將發(fā)生較大的塑性破壞，震后修復(fù)困難。

（3）簡(jiǎn)支箱梁橋施工更便利，適應(yīng)性強(qiáng)。在地質(zhì)較好地段，小剛架橋方案造價(jià)略低，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

五、結(jié)束語(yǔ)

綜上，對(duì)于高速鐵路橋梁，從提高全線橋梁抗震性能、梁型統(tǒng)一、施工方便的角度，推薦全線采用簡(jiǎn)支梁方案；考慮小剛架橋方案造價(jià)上具有一定優(yōu)勢(shì)，可在地質(zhì)條件較好、橋高不高、架橋機(jī)和運(yùn)梁車運(yùn)行有困難且適宜采用滿堂支架現(xiàn)澆施工的地段適當(dāng)采用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]鄭健.中國(guó)高速鐵路橋梁[M].北京：高等教育出版社，2016.28