大跨长联铁路连续梁桥抗震分析

刘 毅

(中铁二院土建一院， 四川成都 610031)

大跨长联铁路连续梁桥抗震分析

刘 毅

(中铁二院土建一院， 四川成都 610031)

以某大跨长联铁路连续梁桥为例，对该桥在多遇地震和罕遇地震作用下进行动力性能抗震分析，并提出了采用速度锁定装置等减隔震措施来有效降低固定墩的地震响应，提高结构的安全性。

大跨长联连续梁； 锁定装置； 抗震分析； 减震措施

1 工程概况

某大跨长联连续梁桥，孔跨布置为(68+3×128+68)m连续梁。引桥采用跨径32.7m2101简支梁。主梁采用单箱单室截面，全宽8.1m，箱梁高由根部的8.8m按2次抛物线变化至跨中及端部的4.4m，桥梁的主墩为实心混凝土墩，从下图上看，从左至右分别为8号、9号、10号、11号、12号、13

号桥墩，其中11号桥墩为固定支座，其余为活动支座。桥型布置如图1。本桥位于7度设防区域，设计地震峰值加速度为0.13 g/s2，结构类型为B类桥梁。

该大跨长联连续梁桥只有一个固定墩，在纵向水平地震作用下受力集中，因此，对其抗震性能进行深入的分析具有重要的意义。

图1 桥型布置

2 计算模型

2.1 模型及边界条件

采用桥梁分析软件MidasCivil建立全桥力学模型进行分析计算。建模时主梁、桥墩、承台均采用空间梁单元来模拟，并计入地基变形的影响。模型边界条件为：边跨简支墩底为完全固结，主墩底采用弹性支撑来模拟地基土对墩的约束作用，在承台底用6个弹簧刚度模拟，支座采用弹性连接模拟，竖向约束自由度刚度取大值(108kN/m)，水平约束自由度刚度为0.3×108kN/m，活动自由度方向刚度取0。计算以全桥为对象，考虑两侧简支结构对主桥的地震响应影响。最后得出的结构空间动力模型如图2所示。

图2 桥梁空间结构动力模型

2.2 设计地震动时程

《铁路工程抗震设计规范》第 7.2.2 条规定，地震可采用人工拟合地震波进行时程分析。在结构分析中采用地震安评报告提供的地震动时程。图3为工程场地地震安全性报告提供的罕遇地震条件下的地震波时程。

(a) 50年2%-1号波波形

(b) 50年2%-2号波波形

(c) 50年2%-3号波波形图3 罕遇地震条件下的地震波时程

3 地震响应分析

3.1 多遇地震响应分析与强度验算

多遇地震作用下，考虑桥墩在横桥向地震与顺桥向地震下的地震响应。横桥向地震响应弯矩图与顺桥向地震响应弯矩图见图4、图5。

图4 横桥向地震响应弯矩

图5 顺桥向地震响应弯矩

在横桥向地震作用下，活动墩墩底最大弯矩为1.9×105kN·m，固定墩墩底弯矩为2.7×105kN·m，是活动墩墩底最大弯矩的1.42倍，弯矩分配相对较为均匀；在顺桥向地震作用下，活动墩墩底最大弯矩为1.3×105kN·m，固定墩墩底弯矩为3.4×105kN·m，是活动墩墩底最大弯矩的2.6倍，说明固定墩受力集中。

根据计算分析可知，桥墩控制截面位于墩底塑性铰发展区域，因此，选取该区域作为强度验算对象。除11号固定墩外，8号至13号墩在横桥向地震和顺桥向地震都通过验算，11号墩在横桥向地震作用下也通过验算，11号墩在顺桥向地震作用下，墩底截面混凝土应力为23.37MPa，超过混凝土容许压应力17.7MPa；钢筋应力536MPa，超过钢筋容许应力315MPa。

根据规范要求，多遇地震工况结构应处于弹性工作阶段，但11号固定墩墩底截面钢筋屈服，混凝土应力过大可能发生破坏。因此，必须采取措施以改善这一不利情况。

3.2 罕遇地震作用非线性时程分析

钢筋混凝土桥墩在罕遇地震作用下的弹塑性变形分析，按《铁路工程抗震设计规范》规定，进行桥墩延性验算。延性应满足下式的要求：

式中：μu为非线性位移延性比；[μu]为允许位移延性比，取值为4.8。

验算有车、无车工况下，顺桥向、横桥向激励情况下各墩的最大转角延性比。11号固定墩各工况下最不利结果为顺桥向地震无车荷载下，地震波时程选取人工波3时，最大曲率延性比为12.3。

根据公路桥梁抗震细则规定，单柱墩屈服位移可按下式计算：

此时，墩顶最大非线性位移为0.467m，而屈服位移为0.144m；最大位移延性比为3.24，未超过规范允许值4.8。

罕遇地震下，除11号固定墩外的其余墩纵、横向地震最不利弯矩响应值均未超过屈服弯矩，保持在弹性范围之内，固定墩横向地震作用下保持在弹性范围，纵桥向地震响应弯矩超过屈服弯矩，但位移延性比满足要求。

通过以上计算结果可知，本桥抗震主要存在两个问题：

(1)多遇地震下固定墩墩底截面钢筋与混凝土拉应力均超标；

(2)罕遇地震下固定墩纵向地震响应弯矩超过屈服弯矩。

4 抗震改善措施

4.1 增加桥墩配筋

将固定墩墩底截面钢筋由单肢d=25mm修改为双肢d=28mm后，结构在多遇地震作用下，固定墩底混凝土应力17.63MPa<[ 17.7MPa]7，钢筋应力288.3MPa<[315MPa]7，满足规范要求。桥梁在罕遇地震作用下，固定墩曲率延性比最大5.86<[ 15.64]8，墩顶水平位移延性比3.06<[4.8]9，满足规范要求。

在增设钢筋后，在罕遇地震下，墩的位移延性能满足设计规范要求，但固定墩受纵向力作用集中，通过采用精细化非线性梁柱纤维单元模拟结构在地震作用下的响应，经时程分析发现墩底大约8 %核心混凝土压溃丧失承载能力，结构存在一定倒塌风险。且由于本桥主墩水深达10m以下，一旦开裂，深水下检测、维修加固都很困难，故该桥应提高设防水准，将主墩作为能力保护构件进行设计，保证结构在罕遇地震下不屈服。显而易见，增设钢筋等措施是不足以保证结构达到该设防水准。

4.2 增设速度锁定装置

因为该桥桥墩作为能力保护构件进行设计(即保证罕遇地震下结构地震需求小于结构等效屈服强度)，设防目标该为桥墩在罕遇地震下(50a2%概率，重现期 2 475a)结构基本处于弹性状态，震后不损坏或轻微损伤。安装速度锁定装置使水平纵向地震力由固定墩与活动墩共同承担，能有效降低固定墩上的地震响应。因此，在9号、10号、12号活动墩上设置速度锁定装置(地震下等效锁定刚度为 120kN/mm)，设置速度锁定装置后，桥墩在多遇地震和罕遇地震下的峰值弯矩对比见表1和表2。

表1 固定在加装速度锁前后多遇地震下的弯矩峰值对比

表2 固定墩加装速度锁定装置后在罕遇地震下的响应弯矩 kN·m

多遇地震下，地震响应弯矩峰值降低至原结构地震响应的 61%，大大降低了结构的地震不利作用，提高结构安全系数，结构整体处于弹性状态，钢筋应力和结构强度满足规范要求。在罕遇地震下，整体结构的地震响应弯矩小于等效屈服弯矩，处于弹性状态，结构性能水准达到要求。

5 结束语

本文将该桥桥墩作为能力保护构件进行设计，即保证罕遇地震下结构地震需求小于结构等效屈服强度，提高了防护等级。大跨长联连续梁桥由于纵向水平地震力集中于固定墩上，尽管通过增加固定墩钢筋可解决其抗压强度问题，但无法避免罕遇地震作用下的屈服开裂，通过在活动墩顶设置速度锁定装置，可均衡分担纵向水平地震力，效果显著。因此，在大跨长联连续梁的活动主墩上设置速度锁定装置以减少固定墩的水平纵向地震力的方法可供同类桥梁借鉴使用。

[1] 刘怀林，郑罡.大跨径连续刚构桥抗震分析及抗震性能评价[J].公路交通科技，2009,12(6)：81-84

[2] 关艳果.大跨刚构桥桥墩抗震优化设计[J].山西建筑，2013,(5)：145-146

[3] 唐小方.高墩大跨度连续刚构桥的抗震分析[J].四川建材,2013,(4):40-42

[4] 王强.大跨长联连续梁桥地震反应分析及减隔震研究[D].成都：西南交通大学,2010

[5] 孙海朋,卓卫东.大跨度连续梁桥减隔震技术研究综述[J].公路交通科技，2010，(5)：152-156

[6] 李佳俊.大跨长联预应力混凝土连续梁桥抗震性能分析[D].长沙：长沙理工大学，2012

[7]TB10002.3-2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S]

[8]JTG/TB02-01-2008 公路桥梁抗震设计细则[S]

[9]GB50111-2006 铁路工程抗震设计规范(2009版)[S]

U442.5+5

A

[定稿日期]2015-12-02