巨震作用下某高速鐵路橋梁抗震性能分析

陳凡丁

(西南交通大學，四川 成都 610031)

隨著經濟建設的飛速發展、人民生活的進一步改善及城市化進程的全面展開，我國西部地區高速鐵路建設得到了迅速發展。橋梁已是構建鐵路本體最基本和重要工程結構之一[1]，橋梁技術已是現代高速鐵路建設和運營的關鍵技術之一。其作為高速鐵路的重要組成部分，主要功能是為高速列車提供穩定、平順的橋上線路，以確保列車安全運營和旅客乘坐舒適[2-3]。

當高速鐵路橋建設進入持續建設高潮時，地球似乎也進入了一個地震頻發的時期，且地震活動常呈現時空分布不均勻特征[4]，如1999年臺灣9.21集集地震、2008年5.12汶川8.0級巨震、2009年印尼蘇門答臘7.7級地震、2010年海地大震、2010年智利8.8級巨震、2010年青海省玉樹7.1級大地震、2011年日本3.11東日本大地震、2013年四川省雅安市蘆山縣7.0級大地震、2016年新西蘭8.0級巨震、2017年墨西哥沿岸近海8.2級強震、2018年阿拉斯加灣8.0級大地震。這些大地震均造成大量建筑物的損壞，其破壞力遠大于其它自然災害。如1976年唐山7.8級大地震，造成24萬人直接在地震中死亡，16萬人受傷，71座大中型橋梁及160座小型橋梁受損，鐵路橋梁占39.3 %。給震后救援重建工作帶來了極大的困難，導致更多的生命喪失[2][5]。汶川地震中，四川省內受損的橋梁超過2 000多座，嚴重破壞者70多座，完全失效者達52座。臺灣集集地震震區約有20 %的橋梁受到不同程度損壞，嚴重破壞者達20多座[6]。

針對巨震作用下橋梁破壞較為嚴重的問題，本文以某高速鐵橋梁為例，對其在巨震作用下的抗震性能進行研究，為高鐵建設及橋梁抗震規范修訂提供參考。

1 高速鐵路橋梁簡介

橋梁上部結構形式為(60+100+60) m預應力混凝土連續梁橋(圖1)。本橋為雙線橋，線間距4.6 m；設計行車速度為250 km/h的客運專線，橋面鋪設CRTS III型板式無砟軌道；設計活載采用ZK活載。連續梁起止里程為D2K17+032.35～D2K17+253.7，墩號為12#～15#墩。主跨13#～14#墩跨越既有樂宜高速公路。箱梁為單箱單室、變高度、變截面結構。截面高度4.8～7.8 m，箱梁頂寬12.2 m，底寬6.7 m，梁底按二次拋物線變化。連續梁采用掛籃懸臂施工，0#節段長12 m，直線現澆段長5.75 m，邊、中合龍段各長2 m。對稱懸臂施工12#節段后，即進行中合龍，之后掛籃施工邊跨13節段，再進行全橋邊合龍。主梁采用C55混凝土，縱向預應力束采用15-15.2 mm、12-15.2 mm鋼絞線，橫向預應力束采用4-15.2 mm鋼絞線，豎向預應力采用32 mm-PSB830螺紋鋼筋。

2 高速鐵路橋梁Midas模型簡介及驗證分析

本橋采用大型有限元軟件Midas/Civil進行分析計算，采用梁單元進行三維模擬計算，全橋共80個單元，85個節點(圖1)。本橋地質條件較好，且橋墩較矮，剛度大，進行動力分析時本橋對下部結構按固結進行簡化計算。根據設計擬定的施工方法、施工工況，按設計及規范對該橋進行靜力分析，并與現場實測值進行對比分析，以驗證模型的準確性。

圖1 全橋有限元模型

本橋節段標高測點布置如圖2所示，應力測試斷面及測點布置如圖3所示。根據本橋目前施工進度，全橋預應力張拉后標高通測理論值與實測值如圖4所示，理論值與實測值對比，誤差在-16～16 mm之間。個別點位誤差14～16 mm主要原因在于懸臂施工期混凝土澆筑橋面不平整，需在后期進行打磨。本橋應力測試工況為節段混凝土澆筑完畢、預應力張拉結束后進行對應斷面應力測試。由于測試數據較多和篇幅受限，本文僅給出全橋合龍所有預應力張拉結束后應力值(圖5)。

圖2 節段標高測點布置

(a) 應力測試點斷面布置

(b) 應力測點布置圖3 應力測試斷面及測點布置

圖4 全橋預應力張拉通測理論值與實測值對比

圖5 全橋合龍預應力張拉結束應力

從圖5可看出實測應力與理論應力變化趨勢一致，誤差很小，全截面受壓；有限元理論計算與實測值吻合，建立的模型合理，精度滿足要求。

3 巨震作用下動力時程分析

本文基于商業通用軟件Midas，采用汶川和集集地震Ⅺ度Ⅹ度區內的巨震記錄(051MZQ，TCU074，TCU078)對該高速鐵路橋梁有限元數值模型進行動力時程分析。全橋橫向最大位移圖、中跨跨中橫向位移時程圖及全橋最大應力云圖分別于圖6～圖14所示。從圖中可以看出，巨震作用下高速鐵路橋梁最大節點橫向位移為25.28 mm，不會發生落梁現象，基本滿足使用要求；但是橋梁受拉區的受拉應力值非常大，表明橋梁受損嚴重。本文研究可為易發巨震地區的高速鐵路橋梁結構設計提供參考。

圖6 051MZQ地震波作用下全橋橫向最大位移(單位：mm)

圖7 051MZQ地震波作用下橋梁中跨跨中橫向位移時程(單位：mm)

圖8 051MZQ地震波作用下全橋最大應力(單位：MPa)

圖9 TCU074地震波作用下全橋橫向最大位移(單位：mm)

圖10 TCU074地震波作用下中跨跨中橫向位移時程(單位：mm)

圖11 TCU074地震波作用下全橋最大應力(單位：MPa)

4 結論

本文以某高速鐵路橋梁在汶川和集集破壞性地震動記錄作用下為例，對該類型橋梁的抗震性能進行研究。研究結果顯示，巨震作用下高速鐵路橋梁最大節點橫向位移在控制范圍內，不會發生落梁現象，基本滿足使用要求；但是橋梁受

圖12 TCU078地震波作用下全橋橫向最大位移(單位：mm)

圖13 TCU078地震波作用下中跨跨中橫向位移時程(單位：mm)

圖14 TCU078地震波作用下全橋最大應力(單位：MPa)

拉區的受拉應力值非常大，表明橋梁受損嚴重。本文研究可為易發巨震地區的高速鐵路橋梁結構設計提供參考。