鐵路高墩大跨T構橋梁抗震性能分析

中鐵二院重慶勘察設計研究院有限責任公司，重慶 400023

由于T構橋梁主墩無支座便于后期維護，跨徑布置靈活適合山區溝谷地形，故在鐵路橋梁工程中多有應用。隨著我國鐵路建設的迅猛發展，T構橋跨度及墩高也越來越大。許多研究人員已開展了相關研究工作，但主要集中在參數比選及靜力計算方面，關于T構墩抗震計算的研究整體偏少[1-2]。目前部分研究主要針對矮墩T構及T構連續梁[3-4]，對高墩大跨T構的抗震分析仍較少，因此有必要對鐵路高墩大跨T構抗震性能進行研究。

1 工程概況

文章以某鐵路（2×120）m T構為分析對象。其梁體采用單箱單室變高度截面，主墩及大里程交接墩均采用空心墩，小里程側接橋臺。梁體設計二期恒載為120kN/m，主墩高99m，大里程交接墩高24m，主墩順橋向均為11m，橫橋向采用1∶20放坡。

2 有限元模型及自振特性

利用Midas/civil建立主橋空間梁單元計算模型，全橋計算模型見圖1。采用空間梁單元模擬梁部及橋墩，通過剛臂模擬墩梁連接，通過彈性連接模擬邊支座，主墩底部樁基約束剛度通過節點彈性支承模擬，樁基約束剛度通過M法計算得到。主梁采用C55混凝土，橋墩采用C40混凝土。

圖1 全橋計算模型

橋梁自振特性反應結構整體剛度，直接決定了結構在地震荷載下的受力大小，同時反應譜分析也需要自振特性分析明確地震激勵下的主要陣型，確定反應譜分析時所需的陣型數量。文章利用子空間迭代法對結構的自振特性進行分析，自振特性見表1，陣型見圖2。

表1 自振特性

圖2 （2×120）m T構主要陣型

根據自振特性分析，前25階次陣型水平方向的參與質量達到整個結構質量的98%，滿足反應譜分析要求。

3 地震作用分析

依據《鐵路工程抗震設計規范》（GB 50111—2006），采用三水準設防，抗震設防目標及分析方法見表2。

表2 抗震設防目標及分析方法

多遇地震及設計地震需與恒載及活載組合，其中橫向地震作用下需要考慮50%活載引起的地震力，作用于軌頂以上2m位置，縱向地震作用時可忽略活載地震力；罕遇地震時僅考慮恒載與地震力組合。

3.1 反應譜分析

依據《鐵路工程抗震設計規范》（GB 50111—2006），多遇地震及設計地震采用反應譜法進行分析，多遇地震及設計地震反應譜采用安評報告中提供的數據，反應譜設計參數見表3，反應譜計算公式如下：

表3 多遇地震及設計地震反應譜參數（阻尼比值為5%）

式中：T為反應譜周期；Amax為峰值加速度；T0、Tg均為反應譜拐點周期；Sa(T)為周期為T時的反應譜值；βm為相對反應譜最大值；C為衰減指數。

反應譜分析保守取前100階陣型進行計算，為考慮陣型耦合的影響文章選擇CQC方法進行模態組合。主墩設置兩層直徑為32mm的HRB400鋼筋，間距為12.5cm時，計算結果見表4～表6。

表4 多遇地震主墩檢算結果 單位：MPa

表5 橫向設計地震支座檢算 單位：kN

表6 縱向設計地震支座檢算 單位：mm

綜上，該橋在多遇地震作用下結構受力滿足規范要求，不控制設計；橫向設計地震作用下支座橫向設計承載力滿足規范要求；順橋向設計地震作用下支座縱向活動能力及梁縫值均能適應地震作用引起的縱向位移，但富余量較小，若地震時的系統溫度與合龍溫度有差異則可能引起頂梁，故建議梁端設置宜損壞的縱向限位擋塊來吸收地震能力[5]。

3.2 時程分析

考慮到該橋為鐵路高墩大跨T構，后期維修難度較大，養護成本較高，故罕遇地震作用下結構宜基本處于彈性范圍內，且規范中位移延性比僅適用規則橋墩，對于高墩并不適用[6]。

罕遇地震時程數據見圖3，提取墩頂、墩底最不利時刻的軸力、彎矩，對檢算截面進行M-φ曲線分析，判斷截面是否進入塑性，檢算結果見表7、表8。

表7 罕遇地震橋墩彎矩檢算

表8 罕遇地震橋墩剪力檢算

圖3 罕遇地震人工時程

綜上所述，該橋在罕遇地震作用下橋墩在各個方向上的抗剪均處于彈性階段，罕遇地震作用下結構不會發生脆性破壞；在順橋罕遇地震作用下，墩頂截面進入塑性，墩底截面仍在彈性范圍，由于該橋主墩高達99m，養護條件困難、加固成本較高，故可通過抗震結果反向指導墩頂截面的配筋，通過增加適量的墩頂截面鋼筋使其維持彈性狀態。根據《鐵路工程抗震設計規范》（GB 50111—2006）的要求，梁端還應設置防落梁裝置，橋臺控制錐坡坡度，加強樁基、承臺配筋。

4 結論

（1）由于不在地震高烈度區域，多遇地震并不控制高墩結構設計。在設計地震作用下，鐵路高墩大跨T構橋的橫橋向剪力較大，應提高支座噸位或進行特殊設計；鐵路高墩大跨T構橋的縱向位移較大，梁端應采取措施吸收地震能量。

（2）由于剪切破壞為脆性破壞，罕遇地震作用下鐵路高墩大跨T構橋的主墩必須具有足夠的抗剪承載力；對于高墩大跨及修復難度大的結構，罕遇地震作用下主體結構應（基本）保持彈性。

（3）罕遇地震作用下，可通過加強鋼筋、調整截面以及增設阻尼器等方式使主墩保持在彈性狀態；若橋址位于高烈度地區，建議調整線路線形，控制橋梁高度，減小橋梁跨度。