高烈度地震區高速鐵路小跨橋梁結構之探討

井江永

【摘 要】本文以某高速鐵路工程為背景，針對高速鐵路中小跨橋梁常用的整體式簡支箱梁橋和小剛架橋2種結構形式進行對比，以為該類橋梁結構選型提供借鑒。

【關鍵詞】高速鐵路；橋梁結構

一、引言

我國西部及部分東南亞國家地震烈度高，在這些地區修建高速鐵路，橋梁尤其中小跨橋梁占比高，因此中小跨橋梁結構的合理選型對于保證高速鐵路在地震作用下的安全性以及投資控制均有非常大的影響，其重要性不言而喻。

二、工程背景

某高速鐵路線路全長約142.3km，設計運行速度350km/h。根據橋梁抗震設計規范給定的地震動參數區劃圖，高鐵沿線地震動峰值加速度相當于我國抗震規范地震烈度8度0.3g及9度0.4g的水平，地震烈度高，抗震設計難度大。

為詳細對比分析整體式簡支箱梁橋和小剛架橋設計方案在技術和經濟上的優缺點，考慮到小剛架橋為超靜定結構，不適用于地質條件較差的區段，因此選取附近線路共1km左右的區段開展試設計。

三、抗震性能分析

（一）簡支梁橋方案

簡支梁橋方案主梁采用單箱單室整體式箱梁，主梁頂板寬12.2m，梁高2.8m。橋墩采用雙線圓端形橋墩，墩身截面尺寸為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鋼筋。

根據該區段地震動參數，采用擬合我國鐵路規范反應譜的3條地震波，按我國《鐵路工程抗震設計規范》進行橋墩抗震設計。采用大型有限元軟件MIDASCivil建立簡支梁橋整體抗震計算模型，為排除邊界效應的影響，選取4跨32m簡支梁進行計算，取中間橋墩地震響應進行分析。由于主梁橫向支座間距較小，墩頂采用2個固定支座、2個縱向活動支座；基礎底部采用土彈簧模擬地基與結構的相互作用。

由于該橋處于高速鐵路，采用普通支座的橋梁，支座縱、橫向限位裝置破壞后，固定支座變成滑動支座工作，整個結構體系變成了純滑動摩擦體系，純滑動摩擦體系雖然能有效減小橋墩和基礎的地震響應，對下部結構有一定的保護作用，但該體系無恢復力，震后不能回到正常位置，不是一種期望的合理抗震體系。而采用減隔震支座的簡支梁橋，大震作用下，支座剪力銷剪斷，上、下支座板滑動，類似于普通支座破壞時的情況，減震效果好，有效保護了橋墩和樁基，同時該結構體系具有自恢復能力，大震后修復簡單。因此，簡支梁橋方案采用減隔震支座。

考慮到雙曲面球型減隔震支座減震性能好、設計壽命長且具有自復位能力等優點，本文采用雙曲面球型減隔震支座開展抗震設計。根據我國鐵路工程抗震設計規范，抗震設計分多遇地震和罕遇地震2個階段進行。

（1）多遇地震。多遇地震控制橋墩配筋。該橋多遇地震峰值加速度為0.14g，相當于我國鐵路工程抗震設計規范中地震烈度9度的水平。橋墩墩底配置直徑32mm的HRB400鋼筋，雙筋，間距12cm，配筋率1.63%。

（2）罕遇地震。罕遇地震檢算橋墩是否滿足大震不倒的性能水準。經計算，在縱、橫向罕遇地震下，中間橋墩墩底截面軸力均為16002kN，彎矩分別為55921kN·m、62175kN·m，減隔震支座起作用后，減震率分別達到了78.9%和83.8%。

根據簡支梁橋抗震性能分析結論可知，高速鐵路采用減隔震支座的整體式簡支箱梁橋，抗震性能好，主體結構震后仍能保持彈性，此外，結合我國高鐵運營實踐，其車-橋耦合振動特性也能滿足高速鐵路列車運營要求。

（二）小剛架橋方案

小剛架橋方案采用雙層小剛架，梁跨中部設置中橫梁，高1.1m；端部設置端橫梁，高1.4m；下部采用雙肢矩形橋墩，墩身截面尺寸為1.5m×1.5m，墩柱橫向中心間距6m。主梁材料采用C50混凝土，墩身材料采用C40混凝土和HRB400鋼筋。

采用MIDASCivil建立小剛架橋整體抗震計算模型，選取3跨12m小剛架進行計算，墩梁均采用空間梁單元模擬，簡支板重量、二期恒載等轉換為質量計入，將地基土對結構的約束作用簡化成轉動彈簧及平動彈簧施加在橋墩底部。

1.橋墩抗震設計

（1）多遇地震。以受力最不利的2號橋墩為例進行說明。橋墩配置直徑28mm的HRB400鋼筋，雙筋，間距約10cm，配筋率為3.06%。此時，在縱向和橫向多遇地震下，2號墩墩底截面軸力分別為1179kN和210.4kN；彎矩分別為7652.8kN·m和5804.3kN·m，混凝土壓應力分別為11.8MPa和8.7MPa；鋼筋拉應力分別為206.0MPa和166.1MPa。多遇地震作用下混凝土壓應力許用值為20.25MPa；鋼筋拉應力許用值為315MPa，混凝土壓應力及鋼筋拉應力均滿足規范要求。

（2）罕遇地震。根據《鐵路工程抗震設計規范》[5]，當截面最外側鋼筋開始屈服時認為結構進入屈服狀態。此時橋墩產生的最大位移即為橋墩的屈服位移，墩底截面承受的彎矩即為屈服彎矩。同樣以2號橋墩為例進行說明。縱向地震作用下，2號墩墩底屈服彎矩為16340kN·m；屈服曲率為2.25×10-3rad/m；墩頂順橋向最大位移為124.2mm，屈服時刻位移為85.6mm，其非線性位移延性比為1.45。橫向地震作用下，2號墩墩底屈服彎矩為12480kN·m；屈服曲率為2.07×10-3rad/m；墩頂橫橋向最大位移為116.8mm，屈服位移為74.2mm，其非線性位移延性比為1.57。非線性位移延性比容許值為4.8，故2號墩縱、橫向位移延性均滿足規范要求。綜上，小剛架橋在罕遇地震作用下墩底截面將發生屈服，形成塑性鉸耗能，但滿足大震不倒的性能水準。

2.車-橋耦合振動分析

（1）國產CRH3和日本E500高速列車以250～420km/h通過小剛架橋時，小剛架橋的主梁動力響應（包括主梁振動位移、振動加速度以及梁端轉角等）均滿足要求。動車和拖車的車體豎、橫向振動加速度均滿足要求。列車行車安全性滿足要求。（2）在橋梁設計速度所有計算工況（國產CRH3和日本E500高速列車以250～350km/h通過橋梁時）下，列車乘坐舒適度均達到“良好”標準以上。（3）在橋梁檢算速度所有計算工況（國產CRH3和日本E500高速列車以375～420km/h通過橋梁時）下，列車乘坐舒適度指標達到“合格”標準以上。由此可知，小剛架橋具有良好的動力特性及列車走行性能，國產CRH3和日本E500高速列車通過橋梁時的安全性和乘坐舒適性指標均滿足要求。

根據小剛架橋抗震設計以及車-橋耦合振動分析結論可知，小剛架橋無論是抗震性能還是車-橋動力性能均能滿足高速鐵路列車運營的要求。

四、結論

（1）高速鐵路，簡支箱梁橋由于墩梁通過支座連接，可采用減隔震支座，在罕遇地震作用下橋墩保持彈性，僅支座螺栓發生剪斷，震后修復快。

（2）小剛架橋整體性較好，可有效防止落梁震害。高速鐵路，小剛架橋抗震性能滿足規范要求，且能滿足高速鐵路列車運營的要求。但小剛架橋墩梁固結，只能通過墩柱自身的塑性變形耗能，罕遇地震下橋墩將發生較大的塑性破壞，震后修復困難。

（3）簡支箱梁橋施工更便利，適應性強。在地質較好地段，小剛架橋方案造價略低，具有一定的優勢。

五、結束語

綜上，對于高速鐵路橋梁，從提高全線橋梁抗震性能、梁型統一、施工方便的角度，推薦全線采用簡支梁方案；考慮小剛架橋方案造價上具有一定優勢，可在地質條件較好、橋高不高、架橋機和運梁車運行有困難且適宜采用滿堂支架現澆施工的地段適當采用。

【參考文獻】

[1]鄭健.中國高速鐵路橋梁[M].北京：高等教育出版社，2016.28