常见公跨铁箱梁桥抗震方法比较研究

2015-03-16雷昕弋

铁道勘察 2015年2期

关键词：墩身延性桥墩

雷昕弋

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)

Comparative Study on Anti-seismic Methods for a Regular Highway Box-girder Bridge Crossing Railway

LEI Xinyi

常见公跨铁箱梁桥抗震方法比较研究

雷昕弋

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)

Comparative Study on Anti-seismic Methods for a Regular Highway Box-girder Bridge Crossing Railway

LEI Xinyi

摘要公跨铁桥梁位于交通枢纽位置，抗震性能要求高，设计复杂。以一座位于地震高烈度区跨越铁路的4×30 m箱梁公路桥为例，建立全桥有限元模型，通过非线性时程分析方法，对支座剪坏和墩身延性等两种耗能方式进行比较研究。研究表明：两种方式均能显著减少结构所受地震荷载作用，纵向输入时，墩身延性减震效果要优于支座剪坏；在横向输入下，支座剪坏比墩身延性方式更能减少结构受力。根据这两种减震方式的不同，提出抗震设计细节处理的注意事项。

关键词公跨铁桥非线性减震措施支座剪坏延性设计

近年来，我国地层地质活动明显，中小地震时有发生[1-2]，故而对于常见跨度梁桥设计，其抗震设计也变得越来越重要。另一方面，随着国家交通行业的迅速发展，公路与铁路交叉跨越情况极为常见。公跨铁桥梁结构由于跨越铁路，其结构重要性应比一般公路桥梁高。然而目前我国抗震规范对于公路跨线桥仅《公路桥梁抗震设计细则》中规定“立体交叉的跨线桥梁，抗震设计不应低于下线桥梁的要求”[3]，对于跨越铁路路基段的结构则无明确的规定。根据抗震设计中修复难易程度决定桥梁结构重要性的设计思想，以及铁路运营安全不应受到其上跨桥梁损伤而破坏的原则，跨越铁路路基段的公路桥也应属修复难度较大的桥梁结构。因为地震中损伤的公跨铁桥梁结构，必须通过铁路部门开天窗作业或中断铁路运输的方式方可进行修复。基于此，建议在常见公跨铁桥设计中应重视抗震设计。以一跨越铁路的常见公路小箱梁结构为例，通过模型建立、动力特性分析，E2地震下结构两种不同减震方式比较，以及两种减震方式选择上的构造细节处理等问题阐述抗震分析过程。

1工程背景及有限元模型

某桥位于8度地震区，跨越铁路，为3联4×30 m简支变连续小箱梁。桥梁布置见图1，其中4～8号墩间的连续梁为跨越铁路联。该桥非固定支座位置处墩为三柱式的桩柱式框架结构，桩径为1.8 m。固定支座位置处桥墩(6号墩)仍为三柱式框架结构，但基础为群桩，桩径为1.2 m。采用SAP2000软件对跨越铁路联模型进行建模分析，并在其大小里程处各建一联4×30 m连续小箱梁桥，以便于考虑临近结构对其影响。总体坐标系以顺桥向为x轴，横桥向为y轴，竖向为z轴。模型利用空间梁单元模拟主梁和墩柱，群桩采用6×6耦合弹簧模拟，弹簧刚度根据m法计算，模型中除程序根据构件的截面和材料自动计算结构的质量外，对上部结构的二期恒载以线质量的形式施加在梁体单元上。连续箱梁桥中，墩-梁间的连接方式见表1。非线性时程分析中，采用非线性的恢复力模型来考虑滑动支座摩擦，摩擦系数取0.02。

图1　跨铁路联全桥布置(单位：cm)

表1　墩-梁间的连接方式

注：“0”指墩—梁间相应的自由度无约束，“1”指墩—梁间主从约束。

2地震动输入

根据工程场地地震安全性评价报告，选取50年超越概率63%(E1)和50年超越概率2%(E2)下各三组地震加速度时程作为地震动输入并分别进行抗震计算，最后结果取3组地震响应最大值的平均值。两个概率下，时程均持时40.96 s，时间间隔为0.02 s，E2下的峰值加速度为4.54 m/s2，其对应反应谱的特征周期为1 s，图2给出其中一条地震加速度时程。

图2　50年2%地震加速度时程样本

3动力特性分析

根据前述动力计算模型，对全桥结构进行动力特性分析，结构的前6阶振动周期见表2。从表2中可以看出，第一阶振型为跨铁路联墩、梁纵向振动，周期为1.683 s，结构第四阶振型为墩、梁横向振动，周期为0.472 s。

表2　结构动力特性

4常见减震方式比较

常用公路桥梁抗震一般采用以下两种减震方式：一是桥墩塑性，结构进入延性进行设计；二是通过连接结构耗能(如支座)。对于小箱梁结构，考虑经济性，连接构件耗能方式一般是采用支座剪坏，结构抗震采用上述何种方式进行设计，可以先在E2地震下采用非线性时程分析方法，对全桥结构进行纵、横向动力计算，过程中考虑滑动支座摩擦。在目前固定墩配筋率为1.56%，非固定墩主筋配筋率为0.78%的情况下，分析结果表明，在E2地震作用时，桥墩在纵、横向地震输入下，结构均可能会进入塑性，同时支座也存在剪坏的可能。限于篇幅仅给出纵向输入时的地震响应，见表3和表4。表中的验算轴力是指恒载轴力-地震动下的轴力。

表3　E2地震纵向输入下墩底受力

表4　E2地震纵向输入下支座受力

根据以上分析结果，支座剪坏和墩身延性这两种耗能方式均可在该结构中发生，故对上述两种情况分别进行分析。其中支座剪坏后，滑动摩擦系数取0.2。在桥墩延性结构分析中，根据结构特点，在纵向输入下，墩底可能进入塑性，而在横向输入下，墩顶和墩底均有可能进入塑性状态。故在桥墩非线性情况下，基于以上分析，桥墩采用纤维单元进行模拟，并利用Mander模型来反应桥墩的弹塑性状态。

将滑动支座摩擦、支座剪坏以及墩身延性这三个模型分别进行纵横向非线性时程分析，并将关键截面和最不利桩基的剪力、弯矩结果进行对比分析。因剪力与弯矩的变化趋势基本一致，并考虑篇幅影响，仅给出弯矩的对比结果，见图3～图8。从以上结果比较可知，无论采用支座剪坏还是墩身延性均能显著的减少下部结构的地震响应。横向地震输入时，采用支座剪坏耗能方式要比墩身延性方式更能改善下部结构受力。纵向地震输入时，墩身延性要比支座剪坏时对下部结构的地震响应减小的贡献更明显。支座剪坏后，墩梁间相对距离在纵向输入下最大位移为0.223 m，横向输入下最大位移为0.184 m。

图3　纵向输入各墩墩底弯矩比较

图4　纵向输入最不利桩身弯矩比较

图5　横向输入各墩墩底弯矩比较

图6　横向输入各墩墩顶弯矩比较

图7　横向输入各墩盖梁弯矩比较

图8　横向输入最不利桩身弯矩比较

5减震方式的细节处理

通过以上分析，无论支座剪坏还是墩身延性都能有效的减少地震力。然而，要保证其中任何一种减震方式完美形成，构造措施中，防落梁的设置比较关键。采用支座剪坏，通过摩擦耗能时，防落梁应与支座有一定的距离，以保证摩擦耗能的实现，从而减少地震力的往下传递。如本结构计算得知墩梁纵、横向最大位移值，则防落梁设置时，参考计算结果，将防落梁设置离支座净距纵横向分别为0.22 m、0.18 m左右比较合理，保证支座剪坏后的活动。考虑纵向梁体可能的碰撞，两联之间的伸缩缝值也应根据支座剪坏后的结果进行调整，确保不发生梁体碰撞损伤。当采用墩身延性耗能时，防落梁应靠近支座设置，并加强防落梁的抗剪设计，确保上部结构力完整传递至桥墩下部，从而保证塑性铰的顺利行程。防落梁的抗剪计算值应按照能力保护构件原则，采用塑性铰的弯矩进行反算得到剪力值，并乘以1.2～1.5倍的超强系数。

6结论

(1)支座剪坏耗能和桥墩延性均能显著减少地震荷载对下部结构的作用。在纵向输入下，墩身延性的减震效果要优于支座剪坏，而在横向输入下，支座剪坏比墩身延性更能明显地减少结构受力。

(2)采用支座剪坏耗能时，建议防落梁设置于远离支座位置处，并适当留出滑动空间以便于耗能，保证耗能作用效应的产生，从而减少地震力的下传，具体距离可参考非线性时程结果。

(3)采用桥墩延性进行设计时，防落梁应设置紧邻支座，其抗剪能力可参考能力保护构件的设计原则进行处理。

参考文献

[1]罗祖德.全球是否已进入地震活跃期[J].自然与科技，2010(3)：6-9

[2]姚玉霞，王建荣，马凤珍，等.南北地震带强震主体活动区现象及未来趋势分析[J].地震电磁观测与研究，2012(3)：37-40

[3]中华人民共和国交通运输部.JTG/T B02-01—2008公路桥梁抗震设计细则[S].北京：人民交通出版社，2008

[4]中华人民共和国建设部.GB 50111—2006铁路工程抗震设计规范[S].北京：中国计划出版社，2009

[5]中华人民共和国建设部.CJJ 166—2011城市桥梁抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011

[6]Priestley M J N， F Seible， G M Calvi. Seismic design and retrofit of bridges [M]. New York: Wiley，1996

[7]叶爱君，管仲国.桥梁抗震：第二版[M].北京：人民交通出版社，2011