高速鐵路連續梁橋抗震性能分析★

劉培玲 萬曉慧 朱賢勇 賀 建

(重慶文理學院，重慶 402160)

1 工程概況

某高鐵連續梁橋上部結構形式為(60+100+60)m預應力混凝土連續箱梁，下部結構為流線型實體圓端形橋墩，鉆孔灌注樁基礎。主梁邊墩處梁高4.85 m，中間墩處7.85 m，中間采用二次拋物線線型漸變。主梁采用C50混凝土，橋墩采用C35混凝土，承臺及樁身采用C30混凝土。

2 有限元模型的建立與自振特性分析

2.1 有限元模型的建立

根據設計圖紙，采用SAP2000建立空間有限元計算模型，其中主梁、橋墩、承臺及樁基礎均以空間梁單元模擬，支座連接用線性Link單元模擬，主梁與墩身采用主從約束方式實現，在固定墩處約束縱橋向、橫橋向及豎向3個平動自由度及繞縱橋向及豎向的轉動自由度，對非固定墩，約束橫橋向及豎向2個平動自由度及繞縱橋向、豎向的轉動自由度。其中2號墩為固定墩，其余均為非固定墩。墩底處采用Takeda滯回模型模擬塑性鉸，塑性鉸長度計算方法見文獻[1]。為了考慮樁—土—結構動力相互作用，用等代土彈簧單元反映樁的剛度和土層的恢復力性質，土彈簧的剛度按文獻[2]中規定的m法進行計算。全橋有限元計算模型如圖1所示。

2.2 結構自振特性分析

模態分析是結構動力特性分析的基礎，反應譜組合的振型階數可根據振型質量累計參與系數確定。一般規定，參與組合的振型數應使振型質量累計參與系數在計算方向上應大于90%。根據建立的有限元模型進行模態分析，前30階振型在順橋向和橫橋向的質量累計參與系數均超過90%，故反應譜分析的振型組合采用前30階振型。自振特性前10階計算結果如表1所示。

由表1可以看出，該橋1階振型為順橋向振動且固定墩縱彎，說明順橋向的剛度小于橫橋向，縱向地震荷載作用下固定墩受力最大，是抗震設計的控制點。

3 多遇地震抗震分析

3.1 反應譜曲線

在多遇地震作用下橋梁需處于彈性工作狀態，滿足“小震不壞”的抗震設防目標。本文采用GB 50111—2006鐵路工程抗震設計規范推薦的反應譜曲線(如圖2所示)進行抗震分析與強度驗算。本設計場地條件為Ⅱ類，場地地震動峰值加速度為0.167g，抗震設防烈度為8度，水平地震影響系數最大值為0.08，阻尼比為0.05，場地特征周期為0.47 s。

表1 前10階自振特性

3.2 反應譜分析結果

假定所有的振型都是相互獨立的，不考慮各振型間的相互耦合，反應譜的振型組合采用SRSS法。考慮無車和有車兩種計算方式，在無車工況下，采用(恒載+地震力)的組合，在有車工況下，順橋向采用(恒載+地震力)的組合，橫橋向采用(恒載+地震力+活載×50%)的組合，結構的地震響應如表2，表3所示。

表2 無車工況下地震響應

表3 有車工況下地震響應

由表2，表3可以看出，順橋向2號制動墩地震響應最大，橫橋向兩個中墩的地震響應較邊墩大，因此在橋梁結構驗算時，選擇內力最大處進行抗震驗算。多遇地震作用時結構要求處于彈性階段，按TB 10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范進行強度檢算，見表4。

表4 多遇地震強度驗算 MPa

驗算結果滿足GB 50111—2006鐵路工程抗震設計規范要求，說明本橋在其場地地震動反應譜作用下能較好地保持彈性，具有一定的強度和剛度滿足正常使用極限狀態的要求。

4 罕遇地震抗震分析

在罕遇地震作用下橋梁需滿足“大震不倒”的抗震設防目標，GB 50111—2006鐵路工程抗震設計規范采取控制非線性位移延性比的措施來實現破壞控制。橋墩的彈塑性變形計算見圖3，極限位移表示為：

Δu=Δy+Δp

(1)

式中：Δy——屈服位移；

Δp——塑性位移。

屈服位移表示為：

(2)

式中：φy——墩底截面屈服曲率；

L——橋墩計算高度。

μu=Δu/Δy<[μu]

(3)

式中：μu——非線性位移延性比；

[μu]——允許位移延性比，取值為4.8；

Δu——橋墩的非線性響應最大位移；

Δy——橋墩的屈服位移。

非線性時程分析:

選取Kocaeli，土耳其(1999/08/17),Imperial Valley,美國(1979/10/15),Whittier Narrows,美國(1987/10/04)3條Ⅱ類場地實際記錄地震波作為時程分析的地震輸入，并將3次彈塑性時程分析所得結果的平均值作為地震時程分析的最終結果，以此來平均化由于地震波的不確定性所造成的誤差。墩頂最大位移響應見表5。

表5 墩頂最大位移響應 m

由表5可知，制動墩(2號墩)的墩頂位移最大，故驗算應該以2號墩頂最大位移進行驗算。

驗算結果不滿足GB 50111—2006鐵路工程抗震設計規范要求，本橋的延性儲備不足。因為該橋橋墩配筋率、配箍率不足，以固定墩為例，其全截面配筋率0.48%，小于規范0.5%的要求；順橋向、橫橋向的體積配箍率分別為0.03%，0.05%遠遠小于規范0.3%的要求，故橋墩的延性受限。應對橋墩的配筋進行優化設計，以達到延性抗震設計的目的，見表6。

表6 罕遇地震變形驗算

5 結語

本文對高速鐵路預應力連續梁橋進行了地震反應分析，得出如下結論：

1)該橋順橋向的剛度小于橫橋向，故順橋向地震響應較大。

2)本文中制動墩是抗震設計的控制點，在多遇地震作用下，制動墩強度驗算滿足規范要求。

3)該橋的配筋率、配箍率不足，導致橋墩的延性儲備不足，在罕遇地震作用下變形不滿足規范要求。應對橋墩的配筋進行優化設計，以達到延性抗震設計的目的，見表6。