考虑近活动断层效应的铁路上承式钢桁拱桥抗震分析

童登国

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

1 近活动断层地震

为了深入研究近活动断层效应对铁路大跨度桥梁抗震性能的影响，根据近活动断层地震时程的特征，选定拟建的某进藏铁路一座上承式钢桁拱桥方案，对其进行非线性时程反应分析，探索近活动断层效应对铁路大跨度拱桥的受力影响规律及控制因素。

1.1 近活动断层地震的危害

我国是世界上地震活动较为强烈的国家之一。尤其是近几十年来，全球发生的多次破坏性地震靠近城市，造成非常严重的生命财产损失。其重要原因就是作为生命线工程的桥梁结构在地震中遭到严重破坏，切断交通，给救灾工作带来巨大困难。

而在近活动断层地区，地震的破坏力往往成倍增加。由于桥梁损毁、山体滑坡和坠石造成道路阻断，更增加了地震应急救援的难度。比如1999年台湾集集地震和2008年的汶川地震，其引发的次生灾害，使交通基础设施严重损毁，近活动断层和震中地区多数城镇、乡村对外交通一度完全中断。据初步判断，其中损毁较为严重的桥梁距离主发震断层或断裂大多在20km范围内。

目前，在我国西部开发战略中，进藏的铁路和高速公路即将开始建设，将进入滇西北、藏东南及川西等高烈度地震区，且将出现大量高墩大跨桥梁结构。这些大跨结构及新型桥梁已超出我国现行铁路工程、公路工程桥梁抗震设计规范的适用范围；我国在临近活动断裂带建设大型桥梁的实践也不足；目前的抗震设计理论和抗震措施中的许多技术问题，如标准、计算方法、构造措施等需要进行研究和探索。因此，近活动断层地震大型复杂桥梁的抗震设计研究势在必行。

1.2 近活动断层地震的基本特征

地震所引起的地表地震动峰值加速度是地震灾害的基本要素，它与地质条件、地形条件密切相关。目前我们的抗震设计中采用的场地地震动峰值加速度时程，一般是先根据潜在震源区、地震活动性参数及地震动参数衰减关系，利用概率分析方法，对工程场地进行地震危险性计算，得出工程场地不同概率水准下的基岩水平地震加速度峰值；然后再考虑局部场地条件的影响，计算场地地表处地震反应的地震动加速度时程和反应谱值，作为建筑物抗震设计的依据。在影响地震动的主要因素中，考虑了震源机制、地震波传播路径和场地条件，但无法反映近活动断层地震动速度脉冲和长周期等重要特征。

根据近年来对近活动断层强震的观测资料、地震过程的反演和近活动断层地震动的数值模拟，发现近活动断层地震动的基本特征主要有：①近活动断层强地震动的集中性；②地表破裂和永久位移；③破裂的方向性效应；④近活动断层的速度大脉冲。

1.3 近活动断层地震分析方法

本文建议在距离活动断裂带20km范围内大跨度桥梁，应在采用普通地震时程波进行分析的基础上，以速度脉冲作为地震输入，考察大跨度桥梁在近活动断层地震动下的响应。即对于近活动断层桥梁，在3条贴合规范反应谱的地震波基础上，从收集的实测近断层地震动波库中，按照场地类型、桥址和断层的距离等，在波库中选择类似的3条(或7条)近断层地震波，取桥梁在3条(或7条)地震波下的最大(平均)响应作为桥梁在近活动断层作用下的最终响应。近活动断层区域的桥梁抗震需同时满足常规抗震规范要求和近活动断层特殊地震动的抗震要求。

2 有限元模型的建立

2.1 模拟算例概况

以拟建的某进藏铁路一座大跨度上承式钢桁拱桥梁方案作为分析算例。该桥桥式方案采用主跨280m钢桁拱桥，矢跨比4.29(图1)。

图1 拟建的上承式钢桁拱桥方案立面(算例)

拱肋采用Q500qE，联结系采用Q420qD。拱上立柱采用钢桁结构，立柱间距37.5m，交界墩采用混凝土桥墩。主拱拱顶桁高6m，横向间距9m，拱脚桁高10m，横向间距20m。拱肋截面尺寸1.8m×2.0m。拱上粱部结构采用跨径8×37.5m钢-混结合连续梁，在每个主梁和钢立柱之间布置四个支座。桥址区设计地震峰值加速度0.20g，周期0.45s。距离桥址区约7km处存在一潜在活动断裂带。

2.2 有限元模型

大跨度铁路桥梁抗震设计应采用两级抗震设防，两阶段设计方法，其基本性能目标应满足“中震不坏、大震可修”。中震，即E1地震作用，采用50a内超越概率10 %，地震重现期为475a；大震，即E2地震作用，采用50a内超越概率2 %，地震重现期为2 475a。

采用通用有限元软件建立桥梁动力计算模型，采用非线性时程分析法对E1地震作用、E2地震作用进行分析。整体计算模型如图2所示。

图2 拟建的上承式钢桁拱桥方案抗震计算模型

2.2.1 单元类型

拱肋：对于拱肋中的钢材，采用弹性梁单元模拟。

拱肋横撑、立柱：在E2地震作用下，桥墩柱、拱肋横撑、拱上立柱等构件可能会首先材料屈服而进入材料弹塑性工作阶段，因此需考虑这些构件的非线性，可通过集中塑性铰模型。

主梁(桥道梁)：在对桥梁结构进行设计时，要求上部结构在E1、E2地震中始终处于弹性状态。因此，采用弹性梁单元模拟主梁。

结构自重、二期恒载等均作为集中质量施加。

2.2.2 材料非线性本构关系

拱肋横撑、立柱中钢材以及混凝土中钢筋，采用双线性各向同性硬化模型本构关系曲线，根据材料的屈服强度设置空间塑性铰模型。

2.2.3 边界条件

当基础发生破坏时，修复难度和成本均非常大，通常将拱肋基础设计成地震时不破坏，即认为拱脚约束处理为固结。

拱上梁结构与拱上立柱采用横、竖向耦合的方法进行模拟。

2.3 结构动力特性计算

该上承式钢桁拱桥方案模态振型分析结果如表1和图3所示。该桥基本自振周期较大，第一阶自振周期为2.13s，对应的振型为梁拱对称横弯。基本振型周期与近场地震动卓越周期较为接近，因此近场地震响应可能会比较强烈。

表1 拟建的上承式钢桁拱桥方案前六阶自振特性

(a)第一阶f=0.470Hz主拱一阶横向

3 地震动输入参数的选取

与远场地震相比，近活动断层地震动具有长周期、速度脉冲等显著特征。为了对比近场地震及远场地震对大跨度上承式拱桥的不同影响程度，现针对相同的场地条件合成或选择不同的地震动时程。

3.1 远场地震动时程的合成

上承式钢桁拱桥结构阻尼比取为0.02，依据GB50111-2006《铁路工程抗震设计规范》中的反应谱曲线人工合成三组远场地震动加速度时程(图4)。

(a)设计加速度反应谱

3.2 近场地震动时程的选择

拟建桥梁场地类别为Ⅱ类，选取的三条近活动断层地震波为台湾集集地震实测波(图5)。近场地震波基本参数如表2所示。E1地震动水平加速度峰值调整至0.2g，E2地震水平加速度峰值调整至0.38g。竖向地震动加速度峰值相应调整为水平向的0.67倍。

表2 选取的近场地震波基本参数

(a)TCU068时程波

4 近远场地震响应规律对比研究

依据生成的三组远场地震动人工波及选择不同的地震动时程，计算地震响应结果提取最大值。动力计算工况如表3所示。

表3 桥梁抗震计算工况

4.1 近远场地震位移响应对比

对比该上承式钢桁拱桥在近、远场地震有车工况整体位移，由表4所示可以看出：

(1)近远场地震作用下，最大变形的分布形式相近。

(2)远场E2地震作用下，顺桥向最高的钢立柱墩顶变形最大，最大变形为0.33m，横桥向拱顶变形较大，最大变形为0.35m，拱肋最大竖向变形发生在3/8截面处，约为0.18m；而在近场E2地震作用下，顺桥向最高的钢立柱墩顶变形最大，最大变形为0.78m，横桥向拱顶变形较大，最大变形为0.89m，拱肋最大竖向变形发生在3/8截面处，约为0.24m；相同地震动峰值加速度情况下，考虑其近活动断层效应对桥梁的位移计算影响很大。

表4 该上承式钢桁拱桥在近、远场地震作用下的最大位移响应 m

4.2 近远场地震内力应力响应对比

4.2.1 构件名义应力分布

分析该上承式钢桁拱桥在近、远场地震有车工况下的构件名义应力分布可以看出：

(1)拱肋上最大应力发生在拱顶和拱脚。

(2)拱肋竖腹杆应力水平也较高，其应力极值发生在立柱与拱圈连接处以及拱脚位置，其中中立柱与拱圈连接处的应力最大。

(3)拱肋斜腹杆最大应力出现在近拱脚处。平联横杆和平联斜杆最大应力出现在1/4拱圈处。

4.2.2 构件名义应力值

对比该上承式钢桁拱桥在近、远场地震有车工况构件名义应力，由表5可以看出：

(1)远场E2地震动作用下，钢立柱最大应力489MPa，拱脚处弦杆最大应力416MPa，拱肋弦杆(除拱脚处)最大应力430MPa，拱肋腹杆最大应力247MPa，平联杆最大应力185MPa，钢立柱帽梁最大应力503MPa。

(2)近场E2地震动作用下，钢立柱最大应力788MPa，拱脚处弦杆最大应力596MPa，拱肋弦杆(除拱脚处)最大应力639MPa，拱肋腹杆最大应力345MPa，平联杆最大应力335MPa，钢立柱帽梁最大应力763MPa；相同地震动峰值加速度情况下，考虑其近活动断层效应对桥梁的名义应力计算影响很大。

表5 该上承式钢桁拱桥在近、远场地震作用下的最大应力对比 MPa

5 结论

本文旨在探索近活动断层地震的显著特征及对大跨度桥梁受力的影响规律，得到主要结论如下：

(1)根据以往地震灾害调研，距离主发震断层或断裂在20km范围内桥梁损毁较为严重，抗震设计时应重点关注其近活动断层效应影响。

(2)近活动断层区桥梁抗震设计方法。应在3条(7条)贴合规范反应谱的地震波基础上，从收集的实测近断层地震动波库中，按照场地类型、桥址和断层的距离等，在波库中选择类似的3条(或7条)近断层地震波，取桥梁在3条(或7条)地震波下的最大(平均)响应作为桥梁在近活动断层作用下的最终响应；近活动断层区域的桥梁抗震需同时满足常规抗震规范要求和近活动断层特殊地震动的抗震要求。

(3)近、远场地震结构响应规律。与远场地震相比，近活动断层地震动具有长周期、速度脉冲等显著特征。大跨度拱桥在近活动断层地震动作用下响应更大。相同地震峰值加速度和场地条件下的近、远场地震分析对照，近活动断层地震对拱桥明显不利，易控制抗震设计，应重点关注。

(4)从该桥算例分析来看，对于近活动断层拱桥的钢立柱、拱顶上下弦杆、拱肋腹杆、平联横杆名义应力均最大，在E2地震作用下组合应力远超过材料屈服应力，应通过采取合理设置减隔震措施和优化结构设计予以解决。