上跨高速鐵路T 型剛構橋梁的抗震設計

馮俊迎

（中鐵七局集團有限公司勘測設計研究院）

0 引言

隨著我國交通網(wǎng)絡的日益密集，新建道路與既有高速鐵路交叉工程越來越多。采用T 型剛構轉體橋上跨鐵路的方案既可以保證鐵路的運營安全，又能夠保證項目的順利實施，已成為涉鐵節(jié)點工程的常用方案。

我國是一個多地震國家，多層立交結構的抗震設防問題近些年來越來越受到業(yè)界的重視。我國現(xiàn)行《鐵路工程抗震設計規(guī)范》和《公路工程抗震規(guī)范》均指出上層橋梁結構的抗震設防標準不應低于下線工程的抗震設防要求[1-2]；《高速鐵路設計規(guī)范》規(guī)定抗震設防類別應按不低于公路（城市）橋梁抗震設計規(guī)定的B（乙）類采用，并滿足《鐵路工程抗震設計規(guī)范》的相關要求[3]。該類涉鐵工程上下層結構物分屬不同抗震類別體系，《鐵路工程抗震設計規(guī)范》分別規(guī)定了鐵路工程構筑物應達到3個性能標準，以及對應的構筑物設防目標和分析方法，屬于“三水準設防，三階段設計”，但該規(guī)范內容龐雜，對橋梁抗震設計針對性、可操作性不強；《公路橋梁抗震細則》分別給出了兩個等級的地震動參數(shù)：E1 地震作用和E2 地震作用，進行兩個階段的地震設計，屬于“雙水準設防，兩階段設計”，能夠體現(xiàn)基于性能的抗震設計理念，具有可操作性[4-5]。基于該類工程的特殊性和抗震設計規(guī)范的現(xiàn)狀，對于公跨鐵立交橋的抗震設計本文將以《公路橋梁抗震細則》為主要依據(jù)，其抗震設防目標不應低于《鐵路工程抗震設計規(guī)范》的要求，探討該類橋梁抗震設防標準，并進行抗震驗算，為工程實例提供參考[6]。

1 工程概況

某高速公路上跨京廣高鐵，該地區(qū)抗震設防烈度7度，地震動加速度峰值0.1g，Ⅱ類場地。本橋采用2×90m 現(xiàn)澆預應力鋼筋混凝土T 構，墩梁固結，分幅布置為2×15.6m，兩幅間凈距0.5m。為順利實施轉體，跨線橋左右幅轉體主墩錯幅布置于京廣高鐵兩側，橋梁平面線形位于直線上。橋位處京廣高鐵橋的標準跨徑為32.0m。

圖1 橋型布置圖 （單位：cm）

圖2 橋梁標準橫斷面圖 （單位：cm）

主橋箱梁采用單箱雙室、直腹板，箱梁根部梁高9.5m，邊跨梁高3.0m。單幅箱梁頂寬15.6m，底板寬9.6m，懸臂長為3.0m。梁高從距墩中心3.75m 處到合龍段處按2.0 次拋物線變化，箱梁在主墩頂0 號塊梁段設2 道1.5m 厚橫隔板，端橫梁厚2.0m。箱梁采用三向預應力體系，C55 混凝土。主橋連接墩處支座采用GPZ-7000-D/SX-0.1g 系列盆式橡膠支座，引橋部分采用普通板式橡膠支座。

下部結構主墩采用矩形空心薄壁墩，墩身橫橋向寬度與主梁箱底同寬9.6m，順橋向寬6.5m，壁厚1.5m，墩身采用C40 混凝土。主墩與梁體固結，底部與轉體結構的上轉盤固結。轉體結構高3.9m，采用C40 混凝土，平面尺寸為10.5×10.5m。主墩承臺采用C40 混凝土，高度4.0m，平面尺寸14.1×14.1m。樁基采用4×4=16 根鉆孔灌注樁，間距3.7m，直徑1.8m，C35 混凝土。

過渡墩采用帶高低蓋梁的矩形墩，蓋梁長12.9m，寬、高均為2.6m，上臺階高1.4m，寬1.05m；墩身順橋向寬度2.0m，橫橋向寬度6.3m；承臺厚度為3.0m，平面尺寸為8.4×7.2m，下設2×2=4 根直徑2.0m 的鉆孔灌注樁，樁基順橋向間距4.0m，橫橋向間距5.2m；墩身、蓋梁及承臺均采用C40 混凝土，基礎采用C35 混凝土。

2 抗震設防目標確定

《鐵路工程抗震設計規(guī)范》規(guī)定多遇地震、設防地震及罕遇地震作用下地震動峰值加速度分別取0.33Ag、1.0Ag、2.1Ag。該規(guī)范地震動參數(shù)的選取與《建筑抗震設計規(guī)范》相當，對應重現(xiàn)期分別為50 年、475 年和1600年～2400 年[7]。《公路橋梁抗震細則》中E1 和E2 地震作用的重現(xiàn)期分別為475 年和2000 年。因此，E1 地震作用與設防地震相當，E2 地震作用與罕遇地震相當。

根據(jù)《鐵路工程抗震設計規(guī)范》京廣高鐵橋梁標準跨徑32.0m 的普通橋梁，墩高小于30m，工程類別屬C類。按《鐵路工程抗震設計規(guī)范》要求該上跨公路橋應提高一級按B 類橋梁進行抗震設防，B 類鐵路橋應滿足的抗震設防目標，見表1。根據(jù)《公路橋梁抗震細則》該橋為單孔跨徑不超過150m 的高速公路大橋，抗震設防類別屬于B 類，其設防目標，見表1。

通過表1 對不同抗震規(guī)范對該橋梁抗震設防目標的要求，得出公路橋梁抗震設防要求高于鐵路橋梁。因此，該橋梁的抗震設計按《公路橋梁抗震細則》中B 類橋進行抗震設計能夠滿足《鐵路工程抗震設計規(guī)范》的相關規(guī)定，這與《高速鐵路設計規(guī)范》對于公路上跨橋梁的抗震設防要求相吻合。

表1 鐵路和公路橋梁工程抗震設防目標對比分析

3 抗震驗算

3.1 計算模型建立

采用MIDAS Civil 有限元分析軟件建立全橋空間動力計算模型，如圖3。梁體、蓋梁、墩柱等主要受力構件采用空間桿系單元模擬，質量采用集中質量代表，結構阻尼比取0.05。主橋兩端各取一跨30m 引橋作為邊界聯(lián)考慮相鄰結構的影響。采用等代土彈簧模擬樁土相互作用，土彈簧的剛度采用m 法計算，取2.5 倍靜力計算值考慮動力效應。盆式橡膠支座采用對角線等效剛度模擬，板式橡膠支座根據(jù)相關產品說明計算其剛度。

圖3 有限元分析模型

3.2 橋梁動力特性分析

通過對該橋梁動力特性分析表明：該橋前幾階振形性態(tài)比較單一，均以整體振型為主，互不耦合；前5 階振形中有3 階為主梁平面振動，主梁的豎向振動出現(xiàn)的相對滯后，表明主梁的橫向剛度相對較弱，基本上符合T型剛構梁橋的振動規(guī)律。

表2 橋梁自振特性參數(shù)

3.3 地震作用下強度和變形驗算

該橋為規(guī)則橋梁，B 類，采用多振形反應譜法進行計算，考慮順橋向X 和橫橋向Y 分別進行E1 和E2 地震作用下橋梁結構的驗算。該橋主墩與上部梁體固結，橋墩剛度較大，承擔了大部分地震力，根據(jù)以往的震害調查分析表明，橋梁結構中橋墩和支座最容易出現(xiàn)病害。本文將對橋墩和支座的驗算為重點，樁基、蓋梁、承臺等部位均能滿足規(guī)范要求，不再一一贅述。地震組合及組合系數(shù)，見表3。

圖4 主橋前5 階振形圖

表3 地震組合及組合系數(shù)

3.3.1 E1 地震作用考慮E1 地震組合，按現(xiàn)行的《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》相關規(guī)定驗算橋墩強度。以壓桿穩(wěn)定理論為基礎，對T 型剛構橋進行屈曲分析，通過歐拉公式反求出橋墩順橋向和橫橋向的計算長度系數(shù)分別為1.31、1.86，計算長度分別為21.62m、30.69m。由表4～表6 可知：在E1 地震作用下主墩橫橋向、順橋向抗壓、壓彎及抗剪強度均滿足規(guī)范要求[8]。

表4 E1地震作用下主墩順橋向特征斷面抗壓、抗彎強度驗算

表5 E1地震作用下主墩橫橋向特征斷面抗壓、抗彎強度驗算

表6 E1地震作用下主墩特征斷面抗剪強度驗算

3.3.2 E2 地震作用

⑴主墩彎矩-曲率分析

主墩采用矩形空心薄壁墩身，鋼筋配置采用HRB400 鋼筋，縱筋直徑32mm，間距100mm，沿空心墩內外圈均勻分布；箍筋直徑16mm，縱橋向和橫橋向肢距均為300mm，墩頂和墩底箍筋加密，加密段間距100mm，全高加密。混凝土采用Mander 本構模型，將混凝土分為約束和非約束混凝土，鋼筋采用Menegotto-Pinto 本構模型。經分析，墩底截面的軸向力設計值為136400kN，采用數(shù)值積分法進行截面彎矩-曲率分析，得到墩底截面的彎矩-曲率曲線，如圖5 所示，對應數(shù)據(jù)見表7。

⑵主墩變形驗算

圖5 墩底斷面彎矩曲率曲線

表7 墩底截面特征彎矩曲率

由于主墩在順橋向和橫橋向的高寬比分別為3.33和3.20，均大于2.5。根據(jù)抗震細則的規(guī)定：E2 地震作用下，該主墩應進行橋墩的變形驗算。鑒于該橋為規(guī)則橋梁，可按抗震細則7.4.6 的規(guī)定對墩頂位移進行驗算。

根據(jù)主墩在E2 地震作用下的最不利彎矩與等效抗彎屈服彎矩（Meq）進行比較，判斷橋墩是否進入塑性狀態(tài)，見表8。由表8 可知，E2 作用下地震反應（M）均小于等效抗彎屈服彎矩（Meq），順橋向和橫橋向主墩仍在彈性范圍。因此，主墩有效截面抗彎剛度無需折減，仍按毛截面計算。

表8 E2 地震作用下主墩底彈性狀態(tài)判斷

通過計算得到縱橫向等效塑性鉸長度均為Lp=160.2cm。由表9 得出，E2 地震作用下墩頂順橋向和橫橋向的位移均滿足規(guī)范要求。

表9 E2 地震作用下墩頂位移的驗算

⑶主墩特征斷面抗剪強度驗算

T 型剛構橋墩柱的端部區(qū)域為塑性鉸區(qū)，其設計剪力值按能力保護原則進行計算，因墩柱在E2 地震作用下未進入塑性工作范圍，其剪力設計值（Vc0）取E2 地震作用結果。按抗震細則規(guī)定對斜截面抗剪強度進行驗算，滿足規(guī)范要求，見表10。

表10 E2 地震作用下主墩特征斷面抗剪強度驗算

⑷支座驗算

考慮E2 地震組合下對順橋向的支座滑動水平位移進行驗算，見表11。

表11 E2 地震作用下盆式支座驗算

4 結論

本文通過對我國現(xiàn)行公路、鐵路橋梁抗震設防標準的分析，明確了公路橋梁上跨鐵路的抗震設防目標；通過實例分析為同類工程的抗震設計提供了參考。

⑴公路橋梁上跨鐵路時，不僅需滿足線下鐵路對于上跨結構物的抗震設防要求，同時也需公路橋梁自身的抗震要求。對于實際工程中線下工程及上跨橋設防類別均對設防目標有較大影響，應結合鐵路、公路抗震設防要求選用合理抗震設防目標，確保立交橋抗震滿足規(guī)范要求。

⑵在交叉節(jié)點位置的選擇時，應避開設防類別較高的鐵路段，避免上跨橋設防目標較高，付出較大的經濟代價。

⑶通過對該T 型剛構橋動力特性分析、E1 和E2 地震作用下的驗算，表明該類橋梁具有良好的抗震性能。