长联多跨刚构-连续梁桥的抗震设计

刘 俊

(中铁第五勘察设计院集团有限公司桥梁设计院，北京 102600)

1 概述

近几十年来，我国地震活动较为频繁，几次强烈的地震造成了十分严重的破坏后果。作为生命线工程之一的桥梁工程是交通网络的重要组成部分，是交通运输的枢纽工程，在抗震救灾中处于极其重要的地位。鉴于桥梁震害的严重性，我国的桥梁抗震设计规范对桥梁结构的抗震设计提出了越来越严格的要求，除了延用“强度设防”的概念外，在延性抗震设计和减隔震设计方面也提出了具体的要求。

随着我国铁路建设的不断发展，长联多跨刚构-连续梁桥得到了越来越多的应用。现行的《铁路工程抗震设计规范》(GB 50111—2006)并没有对此类桥梁的抗震设计有明确的规定，因此，研究长联多跨刚构-连续梁桥的抗震设计具有重要的现实意义。

本文以某铁路桥主桥结构为(48+4×80+48)m刚构-连续梁为例来说明长联多跨刚构连-续梁桥抗震设计过程及特点。

2 主要技术标准

(1)铁路等级:Ⅰ级。

(2)正线数目:单线。

(3)设计速度:客车160 km/h，货车120 km/h。

(4)桥面宽度:挡砟墙内侧净宽4.50 m，桥梁顶面总宽7.0 m。

(5)设计活载:中-活载。

(6)地震动参数:地震动峰值加速度0.214g;抗震设防烈度为8度。

(7)施工方法:挂篮悬臂灌注施工。

3 结构设计

主桥采用(48+4×80+48)m预应力混凝土刚构-连续梁，中间桥墩与主梁固结，其余两侧桥墩均设置单向活动支座。主桥全长416.0 m，最大墩高12.5 m。主梁采用C50混凝土，墩身采用C45混凝土，承台采用C40混凝土，桩基采用C35混凝土。全桥立面布置如图1所示。

图1 全桥立面布置(单位:cm)

主梁为单箱单室变高度箱梁，箱梁典型截面梁高:端支座处、边跨直线段和中跨中处均为3.8 m，边跨直线段长9.65 m;中支点处梁高6.8 m，平段长4.0 m;梁高按圆曲线变化，圆曲线半径R=229.667 m。主梁横向为单箱单室直腹板截面，全桥箱梁底板宽4.0 m，顶板宽7.0 m，顶板厚0.35 m，腹板厚0.4～0.8 m，底板厚由直线段的0.4 m变化至中支点梁根部的0.9 m;主梁典型横断面如图2所示。

图2 主梁横断面(单位:cm)

主墩采用3.6 m×7.0 m矩形截面单柱实心墩，除交接墩外其他活动墩均采用4.0 m×7.0 m矩形截面单柱实心墩，交接墩采用3.5 m×7.0 m的圆端型截面;主墩基础为18根φ1.5 m钻孔灌注桩基础，采用行列式布置，桥墩编号从左至右为1号～7号墩，其中4号墩为刚构墩，其他各墩均为活动墩。各墩墩身、桩基配筋设计见表1。

表1 墩身、桩基配筋设计

悬臂施工浇筑梁段分成3.0、3.5 m和4.0 m，全桥共分95个梁段，最大悬臂浇筑块重1 121 kN。0号段长度采用10.0 m，合龙段长2.0 m。

4 有限元模型

本文采用空间有限元方法建立了该桥的计算模型，如图3所示。主梁、主墩均采用空间梁元模拟;主墩桩基周围土的约束作用，根据文献［1］可用承台底6个自由度的弹簧刚度模拟桩土相互作用，弹簧刚度数值根据文献［2］的“m”法确定，土的抗力取值比静力大，一般取m动=(2～3)m静，计算得到各墩承台底的刚度系数如表2所示;其中KX、KY、KZ分别表示沿纵桥向、横桥向、竖向线刚度系数，KXX、KYY、KZZ分别表示沿纵桥向、横桥向、竖向转动刚度系数，KXY、KYX分别表示水平线刚度与转动刚度的相关系数，在模型中指定节点弹簧输入各墩承台底的刚度系数来模拟桩基础的作用;支座作用通过在梁部与墩顶相应节点建立连接单元来模拟，按实际支座布置方式建模，具体的支承连接条件如表3所示，“0”表示无约束，“1”表示有约束，“K”表示输入刚度值。主梁与刚构墩之间通过刚臂连接。

图3 空间有限元模型

表2 桩基础刚度矩阵

表3 成桥状态的支承连接条件

5 地震动输入

5.1 水平加速度反应谱

根据《中国地震动参数区划图》(GB18306—2001)可知，该桥位于高震区。鉴于本桥结构和场地的特殊性，委托相关地震研究中心对工程场地的地震安全性进行评价。地震研究中心给出的地震安全性评价报告中提供了该桥基岩水平加速度反应谱(阻尼比0.05)。其动力放大系数

水平向设计地震动参数如表4所示，动力放大系数如图4所示。

表4 水平向设计地震动参数(ξ=0.05)

图4 动力放大系数β曲线

5.2 基岩人造地震动时程

地震研究中心给出的地震安全性评价报告中提供了该桥50年63%、10%、2%3种不同超越概率水平下基岩处加速度时程曲线，对应每种超越概率分别给出了3个样本，如图5所示(仅示第1个样本)。

图5 50年不同超越概率下水平向地震动加速度时程

6 抗震设计

6.1 常规设计

在常规设计中，多跨刚构连续梁桥除刚构墩外其他活动墩一般只设置纵向活动支座，支座设置横向约束，以保证结构具有足够的横向刚度满足正常使用的要求，各墩墩顶处的支座约束方式参见表3。常规设计下前6阶自振频率及振型特征描述见表5。

表5 常规设计前6阶自振频率及振型特征描述

由文献［3］可知，该桥属于B类桥梁，地震作用的重要性系数Ci为1.5;抗震验算应计入竖向地震作用的影响，竖向地震基本加速度取水平地震基本加速度的0.65倍;应对结构按多遇地震进行桥墩、基础的强度验算;按设计地震验算上、下部结构连接构造的强度;按罕遇地震对桥墩进行延性验算。

本文分别运用反应谱法、一致激励动态时程法对结构进行地震响应分析，地震响应结果取反应谱、时程计算结果中较大值。其中，在多遇地震(50年－63%)作用下地震输入采用2种方式:(1)水平纵向+竖向;(2)水平横向+竖向，各墩墩底的内力响应见表6，在设计地震(50年－10%)作用下各桥墩纵向活动支座的横向剪力响应见表7。

表6 多遇地震常规设计下各墩墩底的内力响应

由计算结果可知，常规设计多遇地震作用下，刚构墩顺桥向、横桥向的地震响应均明显大于其他活动墩，活动墩对结构抵抗顺桥向地震作用的贡献很小，各墩抗震设计的控制断面均为墩底截面。由于桥址处地震动峰值加速度较大，场地的特征周期较长，桥梁结构的联长较长、桥墩较矮，所以刚构墩的内力响应很大。在设计地震作用下，各活动墩支座的横向剪力响应最大达到支座吨位的49.5%，普通的支座很难满足抗震设计规范对支座抗震验算的要求。

表7 设计地震常规设计下各支座的横向剪力响应

6.2 减隔震设计

对于桥梁结构，通常采用在梁体与墩台的连接处安装减隔震支座、阻尼器，通过延长结构的周期、增加结构阻尼来有效地减小结构的地震反应。该桥通过在各活动墩设置双曲面球型减隔震支座来减小结构的地震反应，达到满足抗震设计要求的目的。

双曲面球型减隔震支座的抗震工作机理比较明确，其构造如图6所示，可以用等效线性化模型来模拟，其滞回曲线如图7所示。该桥选用的双曲面球型减隔震支座的各项参数如表8所示。

图6 双曲面球型减隔震支座构造示意

图7 双曲面球型减隔震支座的滞回曲线

表8 双曲面球型减隔震支座主要参数

在多遇地震下减隔震设计下各墩墩底的内力响应 见表9。

表9 多遇地震减隔震设计下墩底的内力响应

从计算结果可以看出，在多遇地震作用下，与常规设计相比，减隔震设计后该桥的地震响应大幅减小，刚构墩的内力地震响应减小超过50%。

7 抗震验算

7.1 多遇地震作用下桥墩、基础的强度验算

由文献［3］可知，应按照以下4种工况:(1)顺桥向无车，恒载+竖向地震力+顺桥向地震力;(2)顺桥向有车，恒载+静活载+竖向地震力+顺桥向地震力;(3)横桥向无车，恒载+竖向地震力+横桥向地震力;(4)横桥向有车，恒载+静活载+竖向地震力+横桥向地震力(计50%的列车活载引起的地震力)对结构按多遇地震进行桥墩、基础的强度验算。常规设计、减隔震设计在多遇地震作用下桥墩及桩基础的检算结果如表10～表12所示。

表10 多遇地震下桥墩强度检算结果 MPa

表11 多遇地震下桩基础强度检算结果 MPa

从检算结果可以看出，在多遇地震作用下，常规设计中3号～5号墩钢筋的最小应力超出规范要求，2号～5号墩的桩基最大竖向力超出了单桩允许承载力;减隔震设计后结构的地震力大幅减小，桥墩、桩基础的强度验算，桩基础的承载力验算均满足规范要求。

表12 多遇地震下桩基础承载力检算结果 kN

7.2 设计地震作用下支座的检算

由文献［3］可知，应按设计地震验算支座的抗剪能力。常规设计、减隔震设计在设计地震作用下各桥墩纵向活动支座的横向剪力响应如表13所示。

由表13中结果可知，在设计地震作用下，支座所承受的水平力超过减隔震设计中的双曲面球型减隔震支座抗剪销的水平承载力时，抗剪销被剪断，支座的限位约束被解除，支座所承受的剪力响应大大减小。在恢复力的作用下，地震发生后双曲面球型减隔震支座很容易复位，只需要更换支座的抗剪销，支座又能恢复正常使用。

表13 设计地震下各支座的横向剪力响应

7.3 罕遇地震作用下桥墩的延性检算

由文献［3］可知，应按罕遇地震对钢筋混凝土的桥墩进行延性验算，非线性位移延性比μu=Δmax/Δy应小于允许位移延性比4.8，其中Δmax为桥墩的非线性最大位移响应，Δy为桥墩的屈服位移。常规设计、减隔震设计在罕遇地震作用下刚构墩的延性验算如表14所示。

表14 罕遇地震下刚构墩的延性验算

由表14中计算结果可知，在罕遇地震作用下，减隔震设计下各个桥墩的非线性最大位移响应与常规设计下相比偏小。常规设计中顺桥向的刚构墩和横桥向的所有桥墩均已屈服，减隔震设计中顺桥向的刚构墩和横桥向的交接墩均已屈服，位移延性比均小于4.8，满足抗震规范中延性检算的要求。

8 结语

传统的结构抗震设计方法是依靠增加结构构件的尺寸、配筋从而提高结构自身的强度、变形能力来抗震的，尽管通过适当选择塑性铰的发生顺序和细部延性设计可以防止结构的倒塌，但结构构件的损伤不可避免。采用减隔震装置可以将结构与可能引起破坏的地震地面运动或支座运动分离开，从而大大减少结构的地震力。本文中的(48+4×80+48)m预应力混凝土刚构－连续梁桥，采用双曲面球型减隔震支座进行减隔震设计后，桥墩、基础的内力地震响应，支座承受的剪力及桥墩的非线性最大位移响应均大大减小，在与常规设计同等条件下，采用减隔震设计可以大大提高结构的抗震性能。

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［4］范立础，王志强.桥梁减隔震设计［M］.北京:人民交通出版社，2001.

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