矮墩铁路桥梁抗震体系研究

杨喜文　钟建辉　冯福洋

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)

Research on Aseismic System of Railway Bridge with Short Piers

YANG Xiwen　ZHONG Jianhui　FENG Fuyang

矮墩铁路桥梁抗震体系研究

杨喜文钟建辉冯福洋

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)

Research on Aseismic System of Railway Bridge with Short Piers

YANG XiwenZHONG JianhuiFENG Fuyang

摘要矮墩铁路桥梁无法利用墩柱延性抗震，设计中常采用提高固定墩强度或设置多固定墩的方法抵抗罕遇地震。因地震荷载的不确性，该方法不能确定弹塑性变形和能力耗散部位，造价高且不安全。以一座(60+100+60) m双线铁路矮墩桥梁为背景，分别采用单固定墩体系、双固定墩体系和隔震体系对罕遇地震进行抗震分析与比较。结果表明，双固定墩体系不能起到分担地震荷载的作用，而隔震体系能显著减小下部结构的地震内力且地震荷载传力途径明确。

关键词桥梁抗震抗震体系矮墩铁路桥梁

铁路桥梁的桥墩截面尺寸较大，常常会出现高宽比小于2.5的情况，参考现行公路桥梁抗震设计规范[1]，这种桥墩被称为矮墩，在地震作用下其破坏形式主要为脆性的剪切破坏，不能依靠其延性抵抗罕遇地震。抗震设计中常常采用以下两种方法解决矮墩桥梁的罕遇地震抗震问题：①加强支座或挡块的抗剪能力、固定墩的配筋和基础布置；②在活动墩上设置速度锁定装置，地震作用下形成双固定或多固定体系[2，3]。二者的共同特点是通过提高桥梁的强度来抵抗罕遇地震，即所谓的强度抗震；尤其是第2种方法，由于多固定墩体系增加了结构纵向的刚度，导致上部结构惯性力增加，常常出现原固定墩的地震力没有明显减小，新固定墩的地震力显著增加的现象，不仅起不到分摊地震力的作用，而且导致所有固定墩均需要提高强度和基础布置。

对于铁路矮墩桥梁，可以选择墩-梁连接装置作为地震破坏和能量耗散部位，在罕遇地震下形成隔震的抗震体系[4]。分别采用单固定、双固定和隔震3种体系，对一座跨度为(60+100+60) m的双线铁路矮墩桥梁进行抗震分析比较，从抗震设计理念和计算结果两个方面论述矮墩桥梁强度抗震的不合理性和隔震设计的有效性，为矮墩铁路桥梁的抗震设计提供参考。

1工程背景

1.1　结构布置

图1所示为一座跨度为(60+100+60) m的双线铁路连续梁截面布置，中支点顶板厚0.4 m，底板厚1.2 m，腹板厚1.0 m；边支点和跨中顶板厚0.4 m，底板厚0.4 m，腹板厚0.6 m。梁体自重和二期恒载总重154 596 kN，中支点恒载支反力为67 749 kN，边支点恒载支反力为9 549 kN。

中墩高10.0 m，圆端形截面，顺桥向宽4.6 m，横桥向长9.2 m，承台尺寸为19.1 m×13.8 m×4.0 m，基础为12根φ2.0 m钻孔灌注桩；边墩高13.0 m，圆端形截面，顺桥向宽3.6 m，横桥向长8.0 m，承台尺寸为12.2 m×8.9 m×2.5 m，基础为12根φ1.25 m钻孔灌注桩。桥址场地为Ⅱ类场地，桩侧土m值为20 000 kN/m4。

图1　连续梁断面布置(单位：cm)

1.2　地震荷载

地震荷载采用2008年汶川地震中在什邡八角、汶川卧龙和绵竹清平记录到的3条地震波，如图2所示。图2(d)为汶川地震波的反应谱与规范罕遇地震反应谱的比较。地震荷载分别沿顺桥向和横桥向输入，取3条地震波地震反应的最大值作为分析结果。

图2　地震荷载

1.3　有限元模型与抗震体系

结构的总体有限元模型如图3所示，主梁和桥墩均采用梁单元建模，在承台底施加6×6弹簧模拟桩基的柔性，弹簧刚度采用m法确定。考虑相邻桥跨的影响，两侧各建立一跨32 m简支梁模型。

图3　有限元模型

分析所采用的3种抗震体系：(1)单固定墩体系，3号墩纵向固定，横向全部固定；(2)双固定墩体系，2号墩设置纵向速度锁定装置，地震下2号和3号墩纵向双固定，横向全部固定；(3)隔震体系，将支座作为弹塑性变形和能量耗散构件，连续梁4个桥墩上均设置隔震支座，罕遇地震下纵横向同时隔震。

在非线性时程分析中考虑活动支座的摩擦效应和隔震支座的非线性效应，二者均采用PlasticWen模型建模[5]。如图4所示，屈服力Fy取支座恒载轴力R乘以动摩擦系数，初始刚度K0为屈服力Fy与屈服位移δy(即滑动起始静位移)之比，Kp为滑动后的恢复力刚度，普通摩擦支座取0，隔震支座根据具体的类型确定，此处取0.025K0。

图4　支座的滞回模型

2分析结果

图5所示为3种抗震体系在纵、横向的墩-梁相对位移；图6所示为3号墩隔震支座在纵、横的剪力-变形滞回曲线；图7为顺桥向墩底的地震剪力和弯矩；图8为横桥向墩底的地震剪力和弯矩。

图5　墩-梁相对位移反应

图6　隔震支座剪力-变形滞回曲线

图7　顺桥向墩底地震内力

图8　横桥向墩底地震内力

分析结果表明：因支座发生弹塑性变形，隔震体系墩-梁相对位移明显大于其他2种抗震体系，其值约为0.30 m。可以通过构造措施满足这一位移量，因隔震支座发生弹塑性变形，使得整个结构体系的刚度显著减小，进而使得固定中墩的地震内力显著减小；双固定墩并没有起到分担地震力的作用，相反由于体系刚度增加导致地震惯性力增大，使得双固定墩体系的地震内力并没有显著小于单固定墩体系，既增加了投入，又没有解决抗震问题。震害调查和研究[6]表明，利用结构强度抵抗罕遇地震是一种错误的抗震理念，由于地震荷载的不确定性，无法确定其真实大小，如汶川地震荷载明显大于规范给出的罕遇地震荷载。采用强度抗震方法设计的桥梁表面上能抵抗罕遇地震，满足规范要求，实际上没有对桥梁在罕遇地震下的破坏方式和能量耗散位置进行设计。对于矮墩桥梁，强度抗震方法既增加了建筑材料用量，又不安全；而隔震体系的地震荷载传力途径明确，又不需要强大的下部结构，其抗震体系合理有效。

3结论

(1)由于地震荷载的不确定性，矮墩铁路桥梁采用加强结构强度来抵抗罕遇地震的理念是错误的，这种抗震体系缺乏对结构破坏方式和能力耗散部位的设计，大地震下其破坏方式不可控，结构并不安全。

(2)地震下多固定墩体系会显著增加矮墩桥梁的整体刚度，导致结构地震惯性力显著增加，不仅起不到分担地震荷载的作用，反而使得所有固定墩均需要承担较大的地震荷载，材料用量增加却不能解决抗震问题。

(3)对于矮墩桥梁，隔震体系的地震荷载传力途径和能量耗散部位明确，而且可以显著减小下部结构的地震内力，是一种合理有效的抗震方法。

参考文献

[1]JTG/T B02—01—2008公路桥梁抗震设计细则[S]

[2]胡建明.大庆至广州高速公路流溪河特大桥八跨连续梁采用速度锁定支座减震分析[J].四川建筑,2013,33(1):133-135

[3]侯海彪,黄志毅,许明杰.成灌线连续梁速度锁定支座的设计及应用[J].价值工程,2012(27):136-138

[4]R. S. Jangid. Stochastic Response of Bridges Seismically Isolated by Friction Pendulum System[J]. J. Bridge Eng., 2008,13(4):319-330

[5]Hanson R D, Aiken I D, Nims D K, et al. State-of-the-art and state-of-the-practice in seismic energy dissipation[A]. In Proceedings of Seminar on Seismic Isolation, Passive Energy Dissipation, and Active Control[C], 1993:449-471

[6]Priestley M J N, Seible F. Seismic design and retrofit of bridges[M]. Wiley-Interscience, 1996.

中图分类号：U442.5+5

文献标识码：A

文章编号：1672-7479(2015)02-0097-03

作者简介：第一杨喜文(1981—)，男，博士，工程师。

收稿日期：2015-01-08