高烈度地震区高速铁路小跨桥梁结构之探讨

井江永

【摘 要】本文以某高速铁路工程为背景，针对高速铁路中小跨桥梁常用的整体式简支箱梁桥和小刚架桥2种结构形式进行对比，以为该类桥梁结构选型提供借鉴。

【关键词】高速铁路；桥梁结构

一、引言

我国西部及部分东南亚国家地震烈度高，在这些地区修建高速铁路，桥梁尤其中小跨桥梁占比高，因此中小跨桥梁结构的合理选型对于保证高速铁路在地震作用下的安全性以及投资控制均有非常大的影响，其重要性不言而喻。

二、工程背景

某高速铁路线路全长约142.3km，设计运行速度350km/h。根据桥梁抗震设计规范给定的地震动参数区划图，高铁沿线地震动峰值加速度相当于我国抗震规范地震烈度8度0.3g及9度0.4g的水平，地震烈度高，抗震设计难度大。

为详细对比分析整体式简支箱梁桥和小刚架桥设计方案在技术和经济上的优缺点，考虑到小刚架桥为超静定结构，不适用于地质条件较差的区段，因此选取附近线路共1km左右的区段开展试设计。

三、抗震性能分析

（一）简支梁桥方案

简支梁桥方案主梁采用单箱单室整体式箱梁，主梁顶板宽12.2m，梁高2.8m。桥墩采用双线圆端形桥墩，墩身截面尺寸为4.5m×2m。主梁材料采用C50混凝土，墩身材料采用C40混凝土和HRB400钢筋。

根据该区段地震动参数，采用拟合我国铁路规范反应谱的3条地震波，按我国《铁路工程抗震设计规范》进行桥墩抗震设计。采用大型有限元软件MIDASCivil建立简支梁桥整体抗震计算模型，为排除边界效应的影响，选取4跨32m简支梁进行计算，取中间桥墩地震响应进行分析。由于主梁横向支座间距较小，墩顶采用2个固定支座、2个纵向活动支座；基础底部采用土弹簧模拟地基与结构的相互作用。

由于该桥处于高速铁路，采用普通支座的桥梁，支座纵、横向限位装置破坏后，固定支座变成滑动支座工作，整个结构体系变成了纯滑动摩擦体系，纯滑动摩擦体系虽然能有效减小桥墩和基础的地震响应，对下部结构有一定的保护作用，但该体系无恢复力，震后不能回到正常位置，不是一种期望的合理抗震体系。而采用減隔震支座的简支梁桥，大震作用下，支座剪力销剪断，上、下支座板滑动，类似于普通支座破坏时的情况，减震效果好，有效保护了桥墩和桩基，同时该结构体系具有自恢复能力，大震后修复简单。因此，简支梁桥方案采用减隔震支座。

考虑到双曲面球型减隔震支座减震性能好、设计寿命长且具有自复位能力等优点，本文采用双曲面球型减隔震支座开展抗震设计。根据我国铁路工程抗震设计规范，抗震设计分多遇地震和罕遇地震2个阶段进行。

（1）多遇地震。多遇地震控制桥墩配筋。该桥多遇地震峰值加速度为0.14g，相当于我国铁路工程抗震设计规范中地震烈度9度的水平。桥墩墩底配置直径32mm的HRB400钢筋，双筋，间距12cm，配筋率1.63%。

（2）罕遇地震。罕遇地震检算桥墩是否满足大震不倒的性能水准。经计算，在纵、横向罕遇地震下，中间桥墩墩底截面轴力均为16002kN，弯矩分别为55921kN·m、62175kN·m，减隔震支座起作用后，减震率分别达到了78.9%和83.8%。

根据简支梁桥抗震性能分析结论可知，高速铁路采用减隔震支座的整体式简支箱梁桥，抗震性能好，主体结构震后仍能保持弹性，此外，结合我国高铁运营实践，其车-桥耦合振动特性也能满足高速铁路列车运营要求。

（二）小刚架桥方案

小刚架桥方案采用双层小刚架，梁跨中部设置中横梁，高1.1m；端部设置端横梁，高1.4m；下部采用双肢矩形桥墩，墩身截面尺寸为1.5m×1.5m，墩柱横向中心间距6m。主梁材料采用C50混凝土，墩身材料采用C40混凝土和HRB400钢筋。

采用MIDASCivil建立小刚架桥整体抗震计算模型，选取3跨12m小刚架进行计算，墩梁均采用空间梁单元模拟，简支板重量、二期恒载等转换为质量计入，将地基土对结构的约束作用简化成转动弹簧及平动弹簧施加在桥墩底部。

1.桥墩抗震设计

（1）多遇地震。以受力最不利的2号桥墩为例进行说明。桥墩配置直径28mm的HRB400钢筋，双筋，间距约10cm，配筋率为3.06%。此时，在纵向和横向多遇地震下，2号墩墩底截面轴力分别为1179kN和210.4kN；弯矩分别为7652.8kN·m和5804.3kN·m，混凝土压应力分别为11.8MPa和8.7MPa；钢筋拉应力分别为206.0MPa和166.1MPa。多遇地震作用下混凝土压应力许用值为20.25MPa；钢筋拉应力许用值为315MPa，混凝土压应力及钢筋拉应力均满足规范要求。

（2）罕遇地震。根据《铁路工程抗震设计规范》[5]，当截面最外侧钢筋开始屈服时认为结构进入屈服状态。此时桥墩产生的最大位移即为桥墩的屈服位移，墩底截面承受的弯矩即为屈服弯矩。同样以2号桥墩为例进行说明。纵向地震作用下，2号墩墩底屈服弯矩为16340kN·m；屈服曲率为2.25×10-3rad/m；墩顶顺桥向最大位移为124.2mm，屈服时刻位移为85.6mm，其非线性位移延性比为1.45。横向地震作用下，2号墩墩底屈服弯矩为12480kN·m；屈服曲率为2.07×10-3rad/m；墩顶横桥向最大位移为116.8mm，屈服位移为74.2mm，其非线性位移延性比为1.57。非线性位移延性比容许值为4.8，故2号墩纵、横向位移延性均满足规范要求。综上，小刚架桥在罕遇地震作用下墩底截面将发生屈服，形成塑性铰耗能，但满足大震不倒的性能水准。

2.车-桥耦合振动分析

（1）国产CRH3和日本E500高速列车以250～420km/h通过小刚架桥时，小刚架桥的主梁动力响应（包括主梁振动位移、振动加速度以及梁端转角等）均满足要求。动车和拖车的车体竖、横向振动加速度均满足要求。列车行车安全性满足要求。（2）在桥梁设计速度所有计算工况（国产CRH3和日本E500高速列车以250～350km/h通过桥梁时）下，列车乘坐舒适度均达到“良好”标准以上。（3）在桥梁检算速度所有计算工况（国产CRH3和日本E500高速列车以375～420km/h通过桥梁时）下，列车乘坐舒适度指标达到“合格”标准以上。由此可知，小刚架桥具有良好的动力特性及列车走行性能，国产CRH3和日本E500高速列车通过桥梁时的安全性和乘坐舒适性指标均满足要求。

根据小刚架桥抗震设计以及车-桥耦合振动分析结论可知，小刚架桥无论是抗震性能还是车-桥动力性能均能满足高速铁路列车运营的要求。

四、结论

（1）高速铁路，简支箱梁桥由于墩梁通过支座连接，可采用减隔震支座，在罕遇地震作用下桥墩保持弹性，仅支座螺栓发生剪断，震后修复快。

（2）小刚架桥整体性较好，可有效防止落梁震害。高速铁路，小刚架桥抗震性能满足规范要求，且能满足高速铁路列车运营的要求。但小刚架桥墩梁固结，只能通过墩柱自身的塑性变形耗能，罕遇地震下桥墩将发生较大的塑性破坏，震后修复困难。

（3）简支箱梁桥施工更便利，适应性强。在地质较好地段，小刚架桥方案造价略低，具有一定的优势。

五、结束语

综上，对于高速铁路桥梁，从提高全线桥梁抗震性能、梁型统一、施工方便的角度，推荐全线采用简支梁方案；考虑小刚架桥方案造价上具有一定优势，可在地质条件较好、桥高不高、架桥机和运梁车运行有困难且适宜采用满堂支架现浇施工的地段适当采用。

【参考文献】

[1]郑健.中国高速铁路桥梁[M].北京：高等教育出版社，2016.28