高烈度地震作用下鐵路多跨簡支梁橋抗震性能研究

陳銘迪

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430063)

1 研究背景

為加快西藏地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和現(xiàn)代化建設(shè)步伐，十分有必要建設(shè)通往西藏地區(qū)的鐵路和公路。由于鐵路運(yùn)送人員和物資能力強(qiáng)，因此鐵路建設(shè)是西藏地區(qū)的首要基建任務(wù)。西藏地處高烈度地震區(qū)，然而高烈度地震區(qū)的相關(guān)研究主要集中在房屋建筑減隔震方面[1]，對鐵路橋梁減隔震設(shè)計(jì)研究相對滯后，同時(shí)由于多跨簡支梁在鐵路橋梁中的占比最大，因此十分有必要研究高烈度地震作用下鐵路多跨簡支梁橋采用減隔震措施后的抗震性能。

以西藏地區(qū)某鐵路多跨簡支梁橋?yàn)檠芯勘尘埃招臉蚨諛?gòu)造圖見圖1。

圖1 空心橋墩構(gòu)造圖(單位：cm)

該橋采用42×32 m鋼-混結(jié)合簡支梁的橋跨布置形式，由于該橋位于高烈度地區(qū)，而鋼-混結(jié)合梁[2]的結(jié)構(gòu)自重相對較小，抗震性能較好，故主梁采用工字型鋼-混結(jié)合梁斷面。主梁混凝土采用C50，工字型鋼采用Q345，橋墩、承臺(tái)和樁基混凝土采用C35，橋墩采用圓端形空心墩，墩身主筋采用直徑32 mm的HRB400鋼筋，箍筋采用直徑16 mm的HRB400鋼筋。

樁基直徑1.25 m，樁基布置圖見圖2。

圖2 樁基布置圖(單位：cm)

根據(jù)第五代地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖，該橋位于場地地震動(dòng)峰值加速度0.30g區(qū)，但與0.40g區(qū)的分界線非常近。初步判斷本橋的設(shè)計(jì)基本烈度為IX度，因此為高烈度地區(qū)。50年10%超越概率水平下的地震峰值加速度為370 cm/s2，特征周期為0.75 s。本橋位于近斷層，采用摩擦擺支座[3-4]進(jìn)行減隔震，摩擦擺支座結(jié)構(gòu)圖見圖3。同時(shí)由于近場地震運(yùn)動(dòng)的影響，現(xiàn)擬采用摩擦擺支座+阻尼器[5-6]減隔震措施進(jìn)行抗震性能分析。

1-下座板；2-中座板；3-雙球面四氟滑板；4-雙球面不銹鋼滑板；5-限位裝置；6-上座板；7-平面不銹鋼滑板；8-平面四氟滑板；9-頂座板。

2 設(shè)計(jì)荷載及有限元模型

2.1 設(shè)計(jì)荷載

根據(jù)TB 10002-2017 《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB 50111-2006 《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2009年版)規(guī)定，本橋抗震設(shè)計(jì)應(yīng)考慮如下作用：①自重；②二期恒載212 kN/m；③列車活載(將其考慮為均布荷載)：88 kN/m。

2.2 地震作用

采用非線性時(shí)程分析法計(jì)算該橋地震響應(yīng)，輸入的地震波采用中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所提供的時(shí)程函數(shù)。多遇、設(shè)計(jì)和罕遇時(shí)程函數(shù)均有3條，共9條地震波，限于篇幅，此處僅給出設(shè)計(jì)地震和罕遇地震加速度時(shí)程曲線各1條，分別見圖4和圖5。計(jì)算時(shí)取3條地震波計(jì)算結(jié)果最大值。

圖4 地震加速度時(shí)程曲線

計(jì)算時(shí)，采用2種荷載組合：①恒載+順橋向水平地震荷載+豎向地震荷載；②恒載+橫橋向水平地震荷載+豎向地震荷載。

2.3 有限元模型

采用midas Civil 2019建立全橋空間有限元模型，見圖5，橋墩編號(hào)從左至右依次為1～4號(hào)。

圖5 全橋空間有限元模型

采用一般連接單元模擬摩擦擺支座和阻尼器，參數(shù)分別見表1、表2，阻尼器最大行程為250 mm。

表1 摩擦擺支座參數(shù)

表2 阻尼器參數(shù)

3 非線性時(shí)程分析計(jì)算

由于橋梁位于IX度高烈度地區(qū)，近場地震作用下，多遇地震作用的計(jì)算結(jié)果不具有代表性，參考價(jià)值不明顯，且常規(guī)支座無法適用，必須采取減隔震措施。因此，本橋的非線性時(shí)程分析計(jì)算采用設(shè)計(jì)地震和罕遇地震2個(gè)階段進(jìn)行分析對比，本橋的減隔震措施采用摩擦擺支座+阻尼器。

3.1 支座滯回曲線

本橋的支座滯回曲線選取采用具有代表性的中間跨支座，即2號(hào)墩頂?shù)哪Σ翑[支座。通過計(jì)算可得這種減隔震措施在設(shè)計(jì)地震和罕遇地震作用下的支座滯回曲線，見圖6。

圖6 摩擦擺支座順橋向滯回曲線

分析圖6可知，摩擦擺支座在罕遇地震作用下表現(xiàn)出較為明顯的非線性特征，但在設(shè)計(jì)地震作用下，線性特征更為明顯，減隔震效果較好。這主要是因?yàn)楦吡叶鹊貐^(qū)近場地震需要考慮豎向地震作用，罕遇地震作用下豎向地震力對支座反力的影響過大，使摩擦擺支座進(jìn)入不規(guī)則的非線性受力階段，導(dǎo)致減隔震效果不如設(shè)計(jì)地震作用下的明顯。

3.2 支座反力

通過計(jì)算，設(shè)計(jì)地震和罕遇地震作用下摩擦擺支座的支座反力時(shí)程曲線見圖7，最大支座反力見表3。

圖7 摩擦擺支座反力時(shí)程曲線

表3 最大支座反力 kN

分析圖8和表3可知，摩擦擺支座在設(shè)計(jì)地震作用下，未出現(xiàn)支座脫空，支座反力滿足設(shè)計(jì)要求。而在罕遇地震作用下出現(xiàn)了次數(shù)較多的脫空現(xiàn)象。

3.3 支座相對位移

本橋減隔震支座順橋向和橫橋向最大相對位移見表4。

表4 減隔震支座最大相對位移 mm

分析表4可知，橫橋向相對位移大于順橋向相對位移，說明該橋在設(shè)計(jì)和罕遇地震作用下的橫向剛度比縱向剛度小。此外，罕遇地震下的相對位移約為設(shè)計(jì)地震下相對位移的3倍，但罕遇地震作用下的相對位移最大為203.7 mm，未超過阻尼器最大行程(250 mm)，減隔震效果顯著。

3.4 墩底彎矩

統(tǒng)計(jì)2號(hào)和3號(hào)墩底在設(shè)計(jì)和罕遇地震作用下順橋向和橫橋向最大彎矩值見表5。

表5 墩底最大彎矩 kN·m

由表5可知，地震作用下，墩底橫橋向彎矩大于順橋向彎矩；3號(hào)墩墩底彎矩稍大于2號(hào)墩墩底彎矩。

4 橋墩抗震性能驗(yàn)算

橋墩主筋采用直徑32 mm的HRB400鋼筋，箍筋采用直徑16 mm的HRB400鋼筋。鋼筋布置為主筋采用10 cm間距，隔1根為2根1束布置。箍筋采用間距為15 cm布置。分別統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)地震和罕遇地震作用下墩底截面抗震性能驗(yàn)算結(jié)果，見表6、表7。

表6 設(shè)計(jì)地震作用下橋墩抗震性能驗(yàn)算

表7 罕遇地震作用下橋墩抗震性能驗(yàn)算

分析表6和表7可知，橋墩抗震性能滿足設(shè)計(jì)要求。

為便于后續(xù)研究，需計(jì)算出多遇地震放大多少倍的情況下，剪力銷破壞，減隔震支座開始起作用。現(xiàn)按照上述配筋模型對在多遇地震的情況下，橋墩外側(cè)鋼筋達(dá)到屈服，采用倒推法，經(jīng)試算可知，當(dāng)墩底內(nèi)力達(dá)到表8所示時(shí)，鋼筋產(chǎn)生屈服。

通過調(diào)整miads Civil 2019中的地面加速度系數(shù)，使得墩底內(nèi)力基本和表8吻合，最后得出最終放大系數(shù)為1.55。由于剪力銷的剪斷力存有10%的富余量。因此對其折減后可知最終使得減隔震開始作用的地震波放大系數(shù)為1.4。

5 結(jié)論

1) 摩擦擺支座在罕遇地震作用下表現(xiàn)出較為明顯的非線性特征，但在設(shè)計(jì)地震作用下，其線性特征更明顯，減隔震效果較好。

2) 摩擦擺支座在設(shè)計(jì)地震作用下，未出現(xiàn)支座脫空，支座反力滿足設(shè)計(jì)要求。而在罕遇地震作用下出現(xiàn)了多次脫空現(xiàn)象。

3) 經(jīng)計(jì)算，2號(hào)和3號(hào)墩在設(shè)計(jì)地震作用下安全系數(shù)分別為1.33和1.28，在罕遇地震作用下安全系數(shù)分別為1.18和1.14。橋墩抗震性能滿足設(shè)計(jì)要求。