地基柔性效应对铁路连续梁桥弹塑性地震反应的影响

2014-05-30包宗林

铁道标准设计 2014年6期

包宗林

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

1 概述

近十几年来，我国地震活动频繁，多次强烈地震都对铁路桥梁造成了较严重的破坏后果。桥梁作为生命线工程，是交通网络的重要组成部分，在抗震救灾中处于极其重要的地位［1-2］。震后调查结果表明［3-5］，桥梁震害主要起因于下部结构。

2009年修订版《铁路工程抗震设计规范》［6］(以下简称《震规》)采用多级抗震设计思想，要求采用非线性时程反应分析方法对钢筋混凝土桥墩进行弹塑性地震反应分析，并对桥墩塑性铰区的转动能力进行验算。弹塑性设计方法允许结构在罕遇地震作用下进入到弹塑性阶段，依靠结构和材料自身的弹塑性力学性能吸收地震能量，减轻地震荷载效应。

文献［7］以预应力混凝土连续梁桥为研究对象，基于纤维模型基本原理建立该桥的弹塑性分析模型，并进行罕遇地震下桥梁弹塑性地震时程响应分析。文献［8］采用塑性铰模型对某高速铁路大跨连续梁桥进行了弹塑性地震反应分析及抗震验算。文献［9］指出基础(地基)塑性的影响是重力式桥墩在罕遇地震分析中需要考虑的一个重要问题，文中从试验及理论分析两个角度探讨了基础非线性对桥梁地震反应的影响。文献［10］探讨了基础刚度对大跨度连续梁桥墩弹性地震反应的影响，结果表明基础刚度对地震反应有较大影响，设计时应力求其计算准确。

本文以某大跨度连续梁桥为工程背景，建立了考虑地基柔性约束效应的弹塑性地震反应分析模型，分析地基柔性效应对桥墩动力特性的影响，总结了地基柔性约束效应对桥墩弹塑性地震反应的影响规律，对桥墩的延性抗震设计提出了建议。

2 工程概况

某高速铁路大跨连续梁桥桥跨布置为(80+128+80)m箱梁桥，引桥为32 m预应力混凝土简支梁桥。场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.4 s，设计地震下地面峰值加速度为0.13g。主梁采用C50混凝土单箱单室结构，跨中梁高为5.6 m，中墩处梁高为9.6 m，采用二次抛物线型渐变。箱梁顶板总宽13.4 m，底板总宽7.0 m。下部结构为圆端形实体桥墩(纵向尺寸及横向尺寸分别为4.5、11.6 m)，基础为钻孔灌注桩(桩径为1.5 m，桩长为55 m采用行列式布置，共计24根)，地基土以卵石土和圆砾土为主。桥墩及桩基础均采用C30混凝土。采用盆式橡胶支座，3号墩为固定墩。全桥总体布置如图1所示。

图1 全桥总体布置示意(单位:m)

由于连续梁桥在一联桥跨中通常仅设置1个固定墩。在地震荷载作用下，由于上部结构的惯性力主要由固定墩承担，因此固定墩必须满足强度及延性的要求。地震下利用桥墩发生塑性变形，延长结构周期，耗散地震能量［11］。

3 动力计算模型

本文重点研究连续梁固定墩顺桥向的弹塑性地震反应，根据《震规》规定，可以采用单墩模型代替全桥模型进行分析。固定墩的动力计算模型见图2。

(1)上部结构的模拟

上部结构仅考虑质量效应，利用集中质量单元实现，质量大小为一联梁的质量和二期恒载质量之和，二期恒载按照200 kN/m考虑。

图2 动力计算模型

(2)墩柱构件的模拟

墩柱采用空间梁单元模拟，在墩底塑性铰区的非线性变形采用集中塑性铰模型模拟，塑性铰的滞回规则采用Clough模型。承台采用弹性梁单元模拟。

(3)基础柔性效应的模拟

将地基土对结构的约束作用简化成线性弹簧施加在承台底，考虑平动、转动及耦联弹簧刚度的影响。弹簧刚度的计算方法见式(1)～式(3)

4 分析工况及对桥墩动力特性的影响

4.1 分析工况

在桩-土相互作用方面，《震规》主要采用线性弹簧模拟基础的柔性约束效应。弹簧刚度的计算方法与地基土的m值取值关系密切。但《铁路桥涵地基和基础设计规范》［12］针对卵石土，给出的m值范围覆盖较广，在30 000～80 000 kN/m4。m取值不同，对桥墩的弹塑性地震反应影响不同。为了研究m值对桥墩弹塑性地震反应的影响，分别取 m=10 000、30 000、50 000、80 000 kN/m4，得到的承台底弹簧刚度见表1，表中数值已考虑承台侧向土的刚度贡献。