鐵路矮塔斜拉橋彈塑性地震反應分析

劉孟云

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300241)

1 工程概況

矮塔斜拉橋是一種比較新穎的介于連續梁橋和斜拉橋之間的一種斜拉組合體系橋型。它的特點是受力性能好、性價比合理、施工方便、外形美觀。

目前，矮塔斜拉橋在公路建設中已被廣泛應用，但在鐵路建設中還比較少見。國內僅有蕪湖長江大橋是公路、鐵路兩用的矮塔斜拉橋。本文所引用的工程實例——天津樞紐津滬聯絡線特大橋，是我國把矮塔斜拉橋用于鐵路建設的一次新的嘗試。

本橋設計長度360.8 m，孔跨布置采用(65.4+115+115+65.4)m，共4孔(圖1)。橫向雙線中心間距4.2 m，主梁寬度14.4 m，索塔橫向間距13.4 m。

圖1 整體布置示意圖

2 建模

根據實例橋梁結構特點，本文借助有限元分析軟件MIDAS建立了該橋的空間有限元模型(圖2)。按照《鐵路工程抗震設計規范》(GB 50111－2005)的規定，全橋共劃分為257個單元，273個節點。主梁及橋墩、橋塔用梁單元模擬，斜拉索用桁架單元模擬，承臺底固接，箱梁采用單箱三室截面。

圖2 MIDAS全橋模型

3 彈塑性地震反應分析

地震反應分析方法的不斷完善需要依賴于地震力理論逐步發展。隨著地震作用理論的不斷演化，在目前為止，常用的確定性地震反應分析方法總共有三種，即靜力法、反應譜法和動態時程分析法。本文著重對實例橋梁模型進行彈塑性動態時程法分析。

3.1 截面的彎矩～曲率關系

本文采用的是武田(Takeda)三線性彎矩～曲率滯回模型(配筋率取0.7%，配箍率取0.05%)，計算所得B墩、B塔底截面武田三線性骨架曲線見圖3、圖4(其余截面骨架曲線未一一列出)，彎矩－曲率關系見表1。

圖3 順橋向B墩底截面三線性骨架曲線

圖4 順橋向B塔底截面三線性骨架曲線

表1 剛構橋墩、塔底截面的彎矩－曲率一覽表

3.2 彈塑性動態時程法分析

天津樞紐津滬聯絡線特大橋位于7度地震區，場地類型III類，特征周期分區2區。參照《鐵路工程抗震設計規范》的規定，在7度區的罕遇地震下的重要橋梁，水平地震加速度α取0.32 g。本文在選擇地震波時，采用歷史記錄的罕遇實際地震波，分別選用 El Centro地震波、Taft地震波和Northridge地震波，調整峰值為0.32 g之后的三條波見圖5～圖7。

圖5 調整后的Elcentro波

圖6 調整后的Taft波

圖7 調整后的Northridge波

文中的彈塑性分析考慮地震力的縱向(X向)和橫向(Y向)輸入。由于所用實例橋梁墩、塔都較矮，所以地震波輸入時墩底和塔底部所受的地震力最大，故本文將塑性鉸的位置定義在橋墩和索塔的最底部單元。

3.3 彈塑性時程分析計算結果

計算過程中發現，在罕遇地震時，地震波橫向輸入時不能使橋墩和索塔底部進入塑性階段，所以本文只提取了三種地震波作用下順橋向關鍵部位的計算結果(其中順橋向索塔底部未進入塑性階段，如圖12所示)，其余結果未一一列出。

表2 按彈性和彈塑性罕遇地震順橋向時程分析計算的B塔、墩最大位移值和B塔、墩底最大彎矩值

3.4 抗震驗算

鋼筋混凝土橋墩在罕遇地震作用下的彈塑性變形分析，采用非線性時程分析法時，根據規范規定延性驗算應滿足式(1)要求。

式中:μu為非線性位移延性比;［μu］為允許位移延性比，取值為4.8;Δmax為橋墩的非線性響應最大位移(Δmax=89.35 mm);Δy為橋墩的屈服位移;Φy為屈服曲率(Φy=5.2E－04/m);H為橋墩高度(H=13 m)。

經過計算μu=3.05＜［μu］=4.8，滿足規范要求。

圖8 順橋向E波作用下的B塔頂位移時程曲線

圖9 順橋向E波作用下的B塔底彎矩時程曲線

圖10 順橋向E波作用下的B墩頂位移時程曲線

圖11 順橋向E波作用下的B墩底彎矩時程曲線

圖12 E波作用下橋塔底彎矩－曲率滯回曲線

圖13 E波作用下橋墩底彎矩－曲率滯回曲線

4 結論

本文通過對該橋進行罕遇地震下的彈塑性地震反應震分析，即非線性時程反應分析，主要得到如下結論:

(1)在順橋向罕遇地震地震波作用下，墩底進入塑性，但塔底均處于彈性范圍內;而橫向地震波作用下，墩底、塔底均處于彈性范圍內，未發生屈服。

(2)在順橋向罕遇地震地震波作用下，經過計算μu=3.05 ＜［μu］=4.8，滿足延性要求。

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