近断层地震区铁路钢桁拱桥抗震性能和对策研究

庞 林 曾永平 陈克坚 刘力维 董 俊

(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

图1 列衣上承式钢桁拱桥示意图(m)

巴塘站附近的列衣大桥，处于Ⅷ度区，地震动峰值加速度0.20 g，段内无明显断裂通过，最近的断裂距离桥址约500 m。区内地面标高 3 473～3 663 m，跨越德曲河，相对高差190 m，自然坡度22°～59°，两岸局部可见基岩出露，交通条件一般。在该区域建桥主要面临高海拔和超高烈度地震的挑战，由于地震之后检查及修复极度困难，因此对拟建桥梁抗震性能要求较高。

钢桁拱桥具有以下特点：(1)技术成熟，跨径300 m的钢桁拱桥国内已实施了几十座，施工技术非常成熟；(2)竖向刚度大，对高速铁路具有很强的适应性；(3)杆件相对较轻，制造、运输、架设和后期维修相对容易；(4)抗震性能较好，跨度490 m的怒江大桥亦采用该桥式,基本地震烈度Ⅷ，但为远场地震。

根据陈丽军等人[1]的研究结果，上承式钢桁拱桥在高烈度地震区具有良好的适应性，故推荐列衣大桥采用上承式钢桁拱桥方案。目前，针对钢桁拱桥抗震性能的相关研究主要集中在不同减隔震措施的减震效果、参数优化设计和行波效应影响等方面[2-5]。赵灿辉等人[6]的研究表明，拱脚是上承式钢桁拱桥的危险部位，行波效应显著增大了拱肋应力，支座布置方式显著影响拱肋内力。李程等人[7]采用ANSYS中的零阶优化方法对武广客运专线1座钢桁拱桥的铅芯橡胶支座进行优化设计,指出支座的屈后刚度比对结构地震响应有重要影响。杨华平等人[8]研究了行波效应对上承式钢桁拱桥的影响，研究结果表明，行波效应对大跨度拱桥地震响应影响很大，但行波地震响应与波速间不存在单调变化关系，为保证设计安全性，应根据工程场地情况选取多种剪切波速计算行波效应对结构的影响。张永亮等人[9]针对有推力钢桁拱桥，对比研究了速度锁定装置、粘滞液体阻尼器以及BRB防屈曲支撑的减隔震效果。田玉玲[10]对采用摩擦摆支座的城市大跨度钢桁拱桥的抗震体系和抗震性能评价进行了研究，结果显示摩擦摆支座具有良好的减隔震效果。

本文以列衣上承式钢桁拱桥方案为分析对象，对近断层地震区钢桁拱桥的地震响应规律和抗震设防措施进行研究。

1 工程概况及动力分析模型

列衣大桥位于直线上，平坡。推荐采用主跨 280 m钢桁拱桥，矢跨比4.29。拱肋采用Q420耐候钢，联结系采用Q345qD。拱上立柱采用钢桁架，立柱间距37.5 m，交界墩采用混凝土桥墩。桥面采用结合梁，混凝土板厚35 cm。拱顶桁高6 m，横向间距9 m，拱脚桁高10 m，横向间距20 m。拱肋截面尺寸1.8 m×2.0 m。主桥跨径为(8×37.5) m连续梁布置，在主梁和钢立柱接处布有4个支座，用于支撑主梁重量。主桥左侧引桥布置形式为(24.7×2+32.7)m简支结合梁，右侧引桥布置形式为(2×32.7) m简支叠合梁形式，立面示意如图1所示。按照地震区划，本桥设计地震峰值加速度0.20 g，周期0.45 s，属近场地震。

采用有限元软件Midas/Civil建立分析模型。对于近断层桥梁，本文在3组贴合规范反应谱的远场地震波基础上，又根据桥址场地类型及与断层的距离等在实测地震动数据库中选择了7组近断层地震波进行研究，近断层地震波剪切波速 278～487 m/s，断层距0.3～19.8 km，均为Ⅱ类场地波。考虑到大跨度桥梁的重要性及近断层地震的危险性，建议近断层地震区大跨度铁路钢桁拱桥按两阶段设计方法，在我国GB 50111-2006《铁路工程抗震设计规范》的基础上将设防目标提高一级，即“中震不坏、大震可修”。

2 上承式钢桁拱桥地震响应规律

2.1 近场地震动影响

近断层地震动卓越周期大，且通常具有速度大脉冲，对桥梁结构地震响应影响较大。对比采用远场地震动的分析结果(如图2所示)，近场地震动作用下，钢桁拱桥主要构件应力增加40%～60%，对钢立柱及拱肋弦杆影响大。次要构件增加40%～80%，其中对拱肋平联横杆影响最大。拱脚弦杆、拱顶弦杆和跨中钢立柱等多处发生屈服，最大应力需求达790 MPa，需采取减隔震措施。

图2 近/远场地震响应对比图(罕遇)

2.2 竖向地震动影响

近断层地震动竖向分量较大，为研究其对钢桁拱桥的影响，将竖向地震动峰值加速度由水平向的0.65倍调整至1.0倍，即取罕遇地震动峰值加速度为0.38 g。对比各构件应力的增大比率发现，拱顶下弦杆应力增加幅度最大，为46.3 MPa，应力增大比率为9.5%。应力增大比率最大值出现在斜腹杆处，最高达69.5%。绝大多数杆件应力变化比率在20%以内，拱桥最大应力仍出现在拱脚处，最大应力增大约26 MPa。

2.3 地震行波效应影响

列衣桥钢桁拱方案主跨280 m，剪切波速范围为250～500 m/s。为分析行波效应对桥梁结构响应的影响，采用相对运动法(RMM)对列衣大桥进行多点激励线性时程分析。两桥墩(或拱脚)的地震波 “到达时间”差设置为0.3 s、0.6 s、0.9 s和1.2 s，行波效应影响如图3所示。由图3可以看出，除拱顶下弦杆、拱底上弦杆的最大应力高于一致加载结果(大于10%)外，其余位置杆件的最大应力均增加不大。在多点激励抗震分析中，相位差效应的影响同结构自振周期与地震波卓越周期的大小关系以及场地剪切波速有一定的相关性。若桥址场地条件较好，多点激励对结构地震响应的影响并不十分显著。此外，非同步激励使大跨度拱桥地震响应显著变化的主要影响因素并不是拟静力作用，而是对称振型，这是造成拱顶应力变化的主要原因。

图3 行波效应影响图

3 上承式钢桁拱桥抗震对策研究

3.1 减震限位装置优化设计

在不采取减隔震措施时，拱桥最大应力出现在拱顶处且部分杆件出现严重应力屈服。这主要是由主梁地震力传递到下部结构时分配不合理所致，为此合理设计减震限位装置参数就显得尤为重要。考虑铁路耐久性要求，拟采用球型钢支座配合减震限位装置(钢阻尼器)[11]的减隔震方式，布置方式如图4所示。在罕遇地震作用下，支座固定约束方向的销钉剪断后成为活动支座。

图4 减隔震措施布置图

建立简化模型，如图5所示。主梁为连续梁，假定为刚体，交界墩两侧为简支梁，假定为质量块。支座摩擦系数取0.02，并考虑减震限位装置间隙和弹性刚度，钢立柱与减震限位装置及支座串联组成联合抗侧推体系。

图5 简化计算模型图

根据抗震设计规范，主梁地震力:

Ex=1.5Ag×md-ΣμRa

(1)

式中:Ex——顺桥向固定端的水平地震力(kN)；

Ag——地震动峰值加速度(m/s2)；

md——梁和桥面的质量(t)；

u——活动支座的摩擦系数；

Ra——活动支座反力(kN)。

由计算可知，温度变形引起的支座相对位移最大为10.5 mm，故初步拟定减震限位装置间隙为20 mm，以满足正常使用时，减震限位装置不产生温度次内力的要求。将各钢立柱上的减震限位装置刚度设为优化变量，初始值取20.2 kN/mm。将最小化各钢立柱柱底弯矩方差作为优化目标。迭代优化变量，结果如表1所示。

表1 减隔震装置优化设计

采用优化后的减隔震设计方案进行全桥非线性动力时程分析，结果如表2所示。

表2 减隔震效果(罕遇地震)表

由表2可以看出，采取减震限位装置后，几乎所有构件的应力包络值均有所降低。其中，钢立柱、拱顶上弦杆和钢立柱帽梁的减震效果明显，罕遇地震动作用下，减震率可达63%～81%。此时，最大支座位移为296 mm，且减震限位装置未达到其极限承载能力，满足抗震设防目标要求。

3.2 拱脚应力优化设计

经减隔震设计后，拱脚杆件应力仍然较大，不满足抗震设计要求，增加拱脚杆件尺寸是最常见的解决方案之一。然而拱脚杆件尺寸增大后，其刚度也相应增大，其临近弦杆的应力又会超出限值，如此恶性循环会导致截面过大，经济性不高。拱脚优化设计方案如表3所示，优化后拱脚处应力如表4所示。

表3 拱脚优化设计方案表

表4 优化后拱脚处应力比较表

由表3、表4可以看出，拱脚弦杆板厚由5 cm增大至8 cm，近拱脚杆件截面尺寸由2.0 m×1.8 m增大至2.2 m×2.0 m，结构最大应力位置由拱脚下弦1号杆转移至近拱脚下弦3号杆，最大应力由497 MPa降低至391 MPa，但仍不能满足抗震设计要求。因此，调整设计思路，首先在拱脚处下弦杆钢箱内灌注混凝土，以期能显著降低拱脚处应力水平。其次考虑到钢立柱的应力水平较低，部分立柱最大应力仅121 MPa，具有较大富余度，可通过减小钢立柱截面尺寸来减轻上部结构质量，进而起到降低地震响应的效果。增大拱脚处构件尺寸和灌注混凝土对结构自振特性的影响如表5所示。

表5 增大构件尺寸及灌注混凝土对结构自振特性的影响表

由表5可以看出，调整局部构件尺寸对结构整体自振特性的影响并不明显。采用拱脚灌注混凝土方案后，拱脚应力由497.3 MPa降低至331.8 MPa，近拱脚下弦杆应力由356.8 MPa降低至341.2 MPa，均满足容许应力要求。根据CECS 159-2004《矩形钢管混凝土结构技术规程》，对拱脚钢管混凝土承载力进行验算，结果如表6所示。

可见拱脚钢管混凝土截面承载也能满足规范要求。

4 结论

本文针对列衣大桥上承式钢桁拱桥方案的近断层地震响应规律和抗震设防对策进行了研究。首先分析了具有长周期及大脉冲特性的近场地震动、高竖向地震动分量和地震行波效应对钢桁拱桥地震响应的影响；然后结合列衣大桥抗震特点，考虑温度变形影响和摩擦力作用，针对选用的减震限位装置提出优化设计方法和参数，并分析了所达到的减震限位效果；最后对仍不能满足抗震设计要求的杆件进行截面优化设计，提出在拱脚位置灌注混凝土的解决方案，得出主要结论如下：

表6 钢管混凝土承载能力检算表

(1)具有长周期、大脉冲的近场地震动显著增大了大跨钢桁拱桥的地震响应，本例中应力增大比率达40%以上。竖向地震动对拱顶下弦杆和斜腹杆影响较大，拱桥最大应力增大约26 MPa。受桥址场地条件较好等因素影响，地震行波效应对结构地震响应的影响并不十分显著。

(2)拱上结构墩梁之间采用合理的减震限位装置或支座与减震限位装置匹配设置，能有效改善墩梁的地震力传递，使钢立柱和拱圈应力分布更为合理。优化后中间钢立柱(含帽梁)和拱顶弦杆应力的减震效果最为明显，减震率为48%～81%，这也体现了减震限位装置的隔震和滞回耗能效果。

(3)采用墩梁减隔震措施后，拱脚杆件应力仍然较大，不能满足抗震设计要求。通过对比分析增大杆件尺寸和在拱脚灌注混凝土两种解决方案来降低杆件应力，结果表明在拱脚钢箱内灌注混凝土是最为有效的措施。

综上所述，在上承式大跨度钢桁拱桥抗震设计时，应充分重视近断层长周期、大脉冲和高竖向地震动分量等特性对桥梁地震响应的影响，并结合场地地震安评结果，充分考虑行波效应可能产生的不利影响。通过合理设计减隔震措施能有效降低桥梁的地震响应，但应注意仅通过增大截面尺寸降低拱脚应力既不经济也不合理，合理采用降低上部结构质量并在拱脚灌注混凝土的方式可达到更优效果。