上跨高速鐵路T 型剛構(gòu)橋梁的抗震設(shè)計

馮俊迎

（中鐵七局集團有限公司勘測設(shè)計研究院）

0 引言

隨著我國交通網(wǎng)絡(luò)的日益密集，新建道路與既有高速鐵路交叉工程越來越多。采用T 型剛構(gòu)轉(zhuǎn)體橋上跨鐵路的方案既可以保證鐵路的運營安全，又能夠保證項目的順利實施，已成為涉鐵節(jié)點工程的常用方案。

我國是一個多地震國家，多層立交結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防問題近些年來越來越受到業(yè)界的重視。我國現(xiàn)行《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》和《公路工程抗震規(guī)范》均指出上層橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)低于下線工程的抗震設(shè)防要求[1-2]；《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》規(guī)定抗震設(shè)防類別應(yīng)按不低于公路（城市）橋梁抗震設(shè)計規(guī)定的B（乙）類采用，并滿足《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)要求[3]。該類涉鐵工程上下層結(jié)構(gòu)物分屬不同抗震類別體系，《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》分別規(guī)定了鐵路工程構(gòu)筑物應(yīng)達到3個性能標(biāo)準(zhǔn)，以及對應(yīng)的構(gòu)筑物設(shè)防目標(biāo)和分析方法，屬于“三水準(zhǔn)設(shè)防，三階段設(shè)計”，但該規(guī)范內(nèi)容龐雜，對橋梁抗震設(shè)計針對性、可操作性不強；《公路橋梁抗震細(xì)則》分別給出了兩個等級的地震動參數(shù)：E1 地震作用和E2 地震作用，進行兩個階段的地震設(shè)計，屬于“雙水準(zhǔn)設(shè)防，兩階段設(shè)計”，能夠體現(xiàn)基于性能的抗震設(shè)計理念，具有可操作性[4-5]。基于該類工程的特殊性和抗震設(shè)計規(guī)范的現(xiàn)狀，對于公跨鐵立交橋的抗震設(shè)計本文將以《公路橋梁抗震細(xì)則》為主要依據(jù)，其抗震設(shè)防目標(biāo)不應(yīng)低于《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》的要求，探討該類橋梁抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，并進行抗震驗算，為工程實例提供參考[6]。

1 工程概況

某高速公路上跨京廣高鐵，該地區(qū)抗震設(shè)防烈度7度，地震動加速度峰值0.1g，Ⅱ類場地。本橋采用2×90m 現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土T 構(gòu)，墩梁固結(jié)，分幅布置為2×15.6m，兩幅間凈距0.5m。為順利實施轉(zhuǎn)體，跨線橋左右幅轉(zhuǎn)體主墩錯幅布置于京廣高鐵兩側(cè)，橋梁平面線形位于直線上。橋位處京廣高鐵橋的標(biāo)準(zhǔn)跨徑為32.0m。

圖1 橋型布置圖 （單位：cm）

圖2 橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖 （單位：cm）

主橋箱梁采用單箱雙室、直腹板，箱梁根部梁高9.5m，邊跨梁高3.0m。單幅箱梁頂寬15.6m，底板寬9.6m，懸臂長為3.0m。梁高從距墩中心3.75m 處到合龍段處按2.0 次拋物線變化，箱梁在主墩頂0 號塊梁段設(shè)2 道1.5m 厚橫隔板，端橫梁厚2.0m。箱梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系，C55 混凝土。主橋連接墩處支座采用GPZ-7000-D/SX-0.1g 系列盆式橡膠支座，引橋部分采用普通板式橡膠支座。

下部結(jié)構(gòu)主墩采用矩形空心薄壁墩，墩身橫橋向?qū)挾扰c主梁箱底同寬9.6m，順橋向?qū)?.5m，壁厚1.5m，墩身采用C40 混凝土。主墩與梁體固結(jié)，底部與轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的上轉(zhuǎn)盤固結(jié)。轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)高3.9m，采用C40 混凝土，平面尺寸為10.5×10.5m。主墩承臺采用C40 混凝土，高度4.0m，平面尺寸14.1×14.1m。樁基采用4×4=16 根鉆孔灌注樁，間距3.7m，直徑1.8m，C35 混凝土。

過渡墩采用帶高低蓋梁的矩形墩，蓋梁長12.9m，寬、高均為2.6m，上臺階高1.4m，寬1.05m；墩身順橋向?qū)挾?.0m，橫橋向?qū)挾?.3m；承臺厚度為3.0m，平面尺寸為8.4×7.2m，下設(shè)2×2=4 根直徑2.0m 的鉆孔灌注樁，樁基順橋向間距4.0m，橫橋向間距5.2m；墩身、蓋梁及承臺均采用C40 混凝土，基礎(chǔ)采用C35 混凝土。

2 抗震設(shè)防目標(biāo)確定

《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定多遇地震、設(shè)防地震及罕遇地震作用下地震動峰值加速度分別取0.33Ag、1.0Ag、2.1Ag。該規(guī)范地震動參數(shù)的選取與《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》相當(dāng)，對應(yīng)重現(xiàn)期分別為50 年、475 年和1600年～2400 年[7]。《公路橋梁抗震細(xì)則》中E1 和E2 地震作用的重現(xiàn)期分別為475 年和2000 年。因此，E1 地震作用與設(shè)防地震相當(dāng)，E2 地震作用與罕遇地震相當(dāng)。

根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》京廣高鐵橋梁標(biāo)準(zhǔn)跨徑32.0m 的普通橋梁，墩高小于30m，工程類別屬C類。按《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》要求該上跨公路橋應(yīng)提高一級按B 類橋梁進行抗震設(shè)防，B 類鐵路橋應(yīng)滿足的抗震設(shè)防目標(biāo)，見表1。根據(jù)《公路橋梁抗震細(xì)則》該橋為單孔跨徑不超過150m 的高速公路大橋，抗震設(shè)防類別屬于B 類，其設(shè)防目標(biāo)，見表1。

通過表1 對不同抗震規(guī)范對該橋梁抗震設(shè)防目標(biāo)的要求，得出公路橋梁抗震設(shè)防要求高于鐵路橋梁。因此，該橋梁的抗震設(shè)計按《公路橋梁抗震細(xì)則》中B 類橋進行抗震設(shè)計能夠滿足《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，這與《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》對于公路上跨橋梁的抗震設(shè)防要求相吻合。

表1 鐵路和公路橋梁工程抗震設(shè)防目標(biāo)對比分析

3 抗震驗算

3.1 計算模型建立

采用MIDAS Civil 有限元分析軟件建立全橋空間動力計算模型，如圖3。梁體、蓋梁、墩柱等主要受力構(gòu)件采用空間桿系單元模擬，質(zhì)量采用集中質(zhì)量代表，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05。主橋兩端各取一跨30m 引橋作為邊界聯(lián)考慮相鄰結(jié)構(gòu)的影響。采用等代土彈簧模擬樁土相互作用，土彈簧的剛度采用m 法計算，取2.5 倍靜力計算值考慮動力效應(yīng)。盆式橡膠支座采用對角線等效剛度模擬，板式橡膠支座根據(jù)相關(guān)產(chǎn)品說明計算其剛度。

圖3 有限元分析模型

3.2 橋梁動力特性分析

通過對該橋梁動力特性分析表明：該橋前幾階振形性態(tài)比較單一，均以整體振型為主，互不耦合；前5 階振形中有3 階為主梁平面振動，主梁的豎向振動出現(xiàn)的相對滯后，表明主梁的橫向剛度相對較弱，基本上符合T型剛構(gòu)梁橋的振動規(guī)律。

表2 橋梁自振特性參數(shù)

3.3 地震作用下強度和變形驗算

該橋為規(guī)則橋梁，B 類，采用多振形反應(yīng)譜法進行計算，考慮順橋向X 和橫橋向Y 分別進行E1 和E2 地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)的驗算。該橋主墩與上部梁體固結(jié)，橋墩剛度較大，承擔(dān)了大部分地震力，根據(jù)以往的震害調(diào)查分析表明，橋梁結(jié)構(gòu)中橋墩和支座最容易出現(xiàn)病害。本文將對橋墩和支座的驗算為重點，樁基、蓋梁、承臺等部位均能滿足規(guī)范要求，不再一一贅述。地震組合及組合系數(shù)，見表3。

圖4 主橋前5 階振形圖

表3 地震組合及組合系數(shù)

3.3.1 E1 地震作用考慮E1 地震組合，按現(xiàn)行的《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》相關(guān)規(guī)定驗算橋墩強度。以壓桿穩(wěn)定理論為基礎(chǔ)，對T 型剛構(gòu)橋進行屈曲分析，通過歐拉公式反求出橋墩順橋向和橫橋向的計算長度系數(shù)分別為1.31、1.86，計算長度分別為21.62m、30.69m。由表4～表6 可知：在E1 地震作用下主墩橫橋向、順橋向抗壓、壓彎及抗剪強度均滿足規(guī)范要求[8]。

表4 E1地震作用下主墩順橋向特征斷面抗壓、抗彎強度驗算

表5 E1地震作用下主墩橫橋向特征斷面抗壓、抗彎強度驗算

表6 E1地震作用下主墩特征斷面抗剪強度驗算

3.3.2 E2 地震作用

⑴主墩彎矩-曲率分析

主墩采用矩形空心薄壁墩身，鋼筋配置采用HRB400 鋼筋，縱筋直徑32mm，間距100mm，沿空心墩內(nèi)外圈均勻分布；箍筋直徑16mm，縱橋向和橫橋向肢距均為300mm，墩頂和墩底箍筋加密，加密段間距100mm，全高加密。混凝土采用Mander 本構(gòu)模型，將混凝土分為約束和非約束混凝土，鋼筋采用Menegotto-Pinto 本構(gòu)模型。經(jīng)分析，墩底截面的軸向力設(shè)計值為136400kN，采用數(shù)值積分法進行截面彎矩-曲率分析，得到墩底截面的彎矩-曲率曲線，如圖5 所示，對應(yīng)數(shù)據(jù)見表7。

⑵主墩變形驗算

圖5 墩底斷面彎矩曲率曲線

表7 墩底截面特征彎矩曲率

由于主墩在順橋向和橫橋向的高寬比分別為3.33和3.20，均大于2.5。根據(jù)抗震細(xì)則的規(guī)定：E2 地震作用下，該主墩應(yīng)進行橋墩的變形驗算。鑒于該橋為規(guī)則橋梁，可按抗震細(xì)則7.4.6 的規(guī)定對墩頂位移進行驗算。

根據(jù)主墩在E2 地震作用下的最不利彎矩與等效抗彎屈服彎矩（Meq）進行比較，判斷橋墩是否進入塑性狀態(tài)，見表8。由表8 可知，E2 作用下地震反應(yīng)（M）均小于等效抗彎屈服彎矩（Meq），順橋向和橫橋向主墩仍在彈性范圍。因此，主墩有效截面抗彎剛度無需折減，仍按毛截面計算。

表8 E2 地震作用下主墩底彈性狀態(tài)判斷

通過計算得到縱橫向等效塑性鉸長度均為Lp=160.2cm。由表9 得出，E2 地震作用下墩頂順橋向和橫橋向的位移均滿足規(guī)范要求。

表9 E2 地震作用下墩頂位移的驗算

⑶主墩特征斷面抗剪強度驗算

T 型剛構(gòu)橋墩柱的端部區(qū)域為塑性鉸區(qū)，其設(shè)計剪力值按能力保護原則進行計算，因墩柱在E2 地震作用下未進入塑性工作范圍，其剪力設(shè)計值（Vc0）取E2 地震作用結(jié)果。按抗震細(xì)則規(guī)定對斜截面抗剪強度進行驗算，滿足規(guī)范要求，見表10。

表10 E2 地震作用下主墩特征斷面抗剪強度驗算

⑷支座驗算

考慮E2 地震組合下對順橋向的支座滑動水平位移進行驗算，見表11。

表11 E2 地震作用下盆式支座驗算

4 結(jié)論

本文通過對我國現(xiàn)行公路、鐵路橋梁抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的分析，明確了公路橋梁上跨鐵路的抗震設(shè)防目標(biāo)；通過實例分析為同類工程的抗震設(shè)計提供了參考。

⑴公路橋梁上跨鐵路時，不僅需滿足線下鐵路對于上跨結(jié)構(gòu)物的抗震設(shè)防要求，同時也需公路橋梁自身的抗震要求。對于實際工程中線下工程及上跨橋設(shè)防類別均對設(shè)防目標(biāo)有較大影響，應(yīng)結(jié)合鐵路、公路抗震設(shè)防要求選用合理抗震設(shè)防目標(biāo)，確保立交橋抗震滿足規(guī)范要求。

⑵在交叉節(jié)點位置的選擇時，應(yīng)避開設(shè)防類別較高的鐵路段，避免上跨橋設(shè)防目標(biāo)較高，付出較大的經(jīng)濟代價。

⑶通過對該T 型剛構(gòu)橋動力特性分析、E1 和E2 地震作用下的驗算，表明該類橋梁具有良好的抗震性能。