雷昕弋

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京　100055)

Comparative Study on Anti-seismic Methods for a Regular Highway Box-girder Bridge Crossing Railway

LEI Xinyi

常見(jiàn)公跨鐵箱梁橋抗震方法比較研究

雷昕弋

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京100055)

Comparative Study on Anti-seismic Methods for a Regular Highway Box-girder Bridge Crossing Railway

LEI Xinyi

摘要公跨鐵橋梁位于交通樞紐位置，抗震性能要求高，設(shè)計(jì)復(fù)雜。以一座位于地震高烈度區(qū)跨越鐵路的4×30 m箱梁公路橋?yàn)槔?，建立全橋有限元模型，通過(guò)非線性時(shí)程分析方法，對(duì)支座剪壞和墩身延性等兩種耗能方式進(jìn)行比較研究。研究表明：兩種方式均能顯著減少結(jié)構(gòu)所受地震荷載作用，縱向輸入時(shí)，墩身延性減震效果要優(yōu)于支座剪壞；在橫向輸入下，支座剪壞比墩身延性方式更能減少結(jié)構(gòu)受力。根據(jù)這兩種減震方式的不同，提出抗震設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)處理的注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞公跨鐵橋非線性減震措施支座剪壞延性設(shè)計(jì)

近年來(lái)，我國(guó)地層地質(zhì)活動(dòng)明顯，中小地震時(shí)有發(fā)生[1-2]，故而對(duì)于常見(jiàn)跨度梁橋設(shè)計(jì)，其抗震設(shè)計(jì)也變得越來(lái)越重要。另一方面，隨著國(guó)家交通行業(yè)的迅速發(fā)展，公路與鐵路交叉跨越情況極為常見(jiàn)。公跨鐵橋梁結(jié)構(gòu)由于跨越鐵路，其結(jié)構(gòu)重要性應(yīng)比一般公路橋梁高。然而目前我國(guó)抗震規(guī)范對(duì)于公路跨線橋僅《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》中規(guī)定“立體交叉的跨線橋梁，抗震設(shè)計(jì)不應(yīng)低于下線橋梁的要求”[3]，對(duì)于跨越鐵路路基段的結(jié)構(gòu)則無(wú)明確的規(guī)定。根據(jù)抗震設(shè)計(jì)中修復(fù)難易程度決定橋梁結(jié)構(gòu)重要性的設(shè)計(jì)思想，以及鐵路運(yùn)營(yíng)安全不應(yīng)受到其上跨橋梁損傷而破壞的原則，跨越鐵路路基段的公路橋也應(yīng)屬修復(fù)難度較大的橋梁結(jié)構(gòu)。因?yàn)榈卣鹬袚p傷的公跨鐵橋梁結(jié)構(gòu)，必須通過(guò)鐵路部門(mén)開(kāi)天窗作業(yè)或中斷鐵路運(yùn)輸?shù)姆绞椒娇蛇M(jìn)行修復(fù)?；诖耍ㄗh在常見(jiàn)公跨鐵橋設(shè)計(jì)中應(yīng)重視抗震設(shè)計(jì)。以一跨越鐵路的常見(jiàn)公路小箱梁結(jié)構(gòu)為例，通過(guò)模型建立、動(dòng)力特性分析，E2地震下結(jié)構(gòu)兩種不同減震方式比較，以及兩種減震方式選擇上的構(gòu)造細(xì)節(jié)處理等問(wèn)題闡述抗震分析過(guò)程。

1工程背景及有限元模型

某橋位于8度地震區(qū)，跨越鐵路，為3聯(lián)4×30 m簡(jiǎn)支變連續(xù)小箱梁。橋梁布置見(jiàn)圖1，其中4～8號(hào)墩間的連續(xù)梁為跨越鐵路聯(lián)。該橋非固定支座位置處墩為三柱式的樁柱式框架結(jié)構(gòu)，樁徑為1.8 m。固定支座位置處橋墩(6號(hào)墩)仍為三柱式框架結(jié)構(gòu)，但基礎(chǔ)為群樁，樁徑為1.2 m。采用SAP2000軟件對(duì)跨越鐵路聯(lián)模型進(jìn)行建模分析，并在其大小里程處各建一聯(lián)4×30 m連續(xù)小箱梁橋，以便于考慮臨近結(jié)構(gòu)對(duì)其影響?？傮w坐標(biāo)系以順橋向?yàn)閤軸，橫橋向?yàn)閥軸，豎向?yàn)閦軸。模型利用空間梁?jiǎn)卧M主梁和墩柱，群樁采用6×6耦合彈簧模擬，彈簧剛度根據(jù)m法計(jì)算，模型中除程序根據(jù)構(gòu)件的截面和材料自動(dòng)計(jì)算結(jié)構(gòu)的質(zhì)量外，對(duì)上部結(jié)構(gòu)的二期恒載以線質(zhì)量的形式施加在梁體單元上。連續(xù)箱梁橋中，墩-梁間的連接方式見(jiàn)表1。非線性時(shí)程分析中，采用非線性的恢復(fù)力模型來(lái)考慮滑動(dòng)支座摩擦，摩擦系數(shù)取0.02。

圖1　跨鐵路聯(lián)全橋布置(單位：cm)

表1　墩-梁間的連接方式

注：“0”指墩—梁間相應(yīng)的自由度無(wú)約束，“1”指墩—梁間主從約束。

2地震動(dòng)輸入

根據(jù)工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告，選取50年超越概率63%(E1)和50年超越概率2%(E2)下各三組地震加速度時(shí)程作為地震動(dòng)輸入并分別進(jìn)行抗震計(jì)算，最后結(jié)果取3組地震響應(yīng)最大值的平均值。兩個(gè)概率下，時(shí)程均持時(shí)40.96 s，時(shí)間間隔為0.02 s，E2下的峰值加速度為4.54 m/s2，其對(duì)應(yīng)反應(yīng)譜的特征周期為1 s，圖2給出其中一條地震加速度時(shí)程。

圖2　50年2%地震加速度時(shí)程樣本

3動(dòng)力特性分析

根據(jù)前述動(dòng)力計(jì)算模型，對(duì)全橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力特性分析，結(jié)構(gòu)的前6階振動(dòng)周期見(jiàn)表2。從表2中可以看出，第一階振型為跨鐵路聯(lián)墩、梁縱向振動(dòng)，周期為1.683 s，結(jié)構(gòu)第四階振型為墩、梁橫向振動(dòng)，周期為0.472 s。

表2　結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

4常見(jiàn)減震方式比較

常用公路橋梁抗震一般采用以下兩種減震方式：一是橋墩塑性，結(jié)構(gòu)進(jìn)入延性進(jìn)行設(shè)計(jì)；二是通過(guò)連接結(jié)構(gòu)耗能(如支座)。對(duì)于小箱梁結(jié)構(gòu)，考慮經(jīng)濟(jì)性，連接構(gòu)件耗能方式一般是采用支座剪壞，結(jié)構(gòu)抗震采用上述何種方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以先在E2地震下采用非線性時(shí)程分析方法，對(duì)全橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行縱、橫向動(dòng)力計(jì)算，過(guò)程中考慮滑動(dòng)支座摩擦。在目前固定墩配筋率為1.56%，非固定墩主筋配筋率為0.78%的情況下，分析結(jié)果表明，在E2地震作用時(shí)，橋墩在縱、橫向地震輸入下，結(jié)構(gòu)均可能會(huì)進(jìn)入塑性，同時(shí)支座也存在剪壞的可能。限于篇幅僅給出縱向輸入時(shí)的地震響應(yīng)，見(jiàn)表3和表4。表中的驗(yàn)算軸力是指恒載軸力-地震動(dòng)下的軸力。

表3　E2地震縱向輸入下墩底受力

表4　E2地震縱向輸入下支座受力

根據(jù)以上分析結(jié)果，支座剪壞和墩身延性這兩種耗能方式均可在該結(jié)構(gòu)中發(fā)生，故對(duì)上述兩種情況分別進(jìn)行分析。其中支座剪壞后，滑動(dòng)摩擦系數(shù)取0.2。在橋墩延性結(jié)構(gòu)分析中，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在縱向輸入下，墩底可能進(jìn)入塑性，而在橫向輸入下，墩頂和墩底均有可能進(jìn)入塑性狀態(tài)。故在橋墩非線性情況下，基于以上分析，橋墩采用纖維單元進(jìn)行模擬，并利用Mander模型來(lái)反應(yīng)橋墩的彈塑性狀態(tài)。

將滑動(dòng)支座摩擦、支座剪壞以及墩身延性這三個(gè)模型分別進(jìn)行縱橫向非線性時(shí)程分析，并將關(guān)鍵截面和最不利樁基的剪力、彎矩結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。因剪力與彎矩的變化趨勢(shì)基本一致，并考慮篇幅影響，僅給出彎矩的對(duì)比結(jié)果，見(jiàn)圖3～圖8。從以上結(jié)果比較可知，無(wú)論采用支座剪壞還是墩身延性均能顯著的減少下部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。橫向地震輸入時(shí)，采用支座剪壞耗能方式要比墩身延性方式更能改善下部結(jié)構(gòu)受力?？v向地震輸入時(shí)，墩身延性要比支座剪壞時(shí)對(duì)下部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)減小的貢獻(xiàn)更明顯。支座剪壞后，墩梁間相對(duì)距離在縱向輸入下最大位移為0.223 m，橫向輸入下最大位移為0.184 m。

圖3　縱向輸入各墩墩底彎矩比較

圖4　縱向輸入最不利樁身彎矩比較

圖5　橫向輸入各墩墩底彎矩比較

圖6　橫向輸入各墩墩頂彎矩比較

圖7　橫向輸入各墩蓋梁彎矩比較

圖8　橫向輸入最不利樁身彎矩比較

5減震方式的細(xì)節(jié)處理

通過(guò)以上分析，無(wú)論支座剪壞還是墩身延性都能有效的減少地震力。然而，要保證其中任何一種減震方式完美形成，構(gòu)造措施中，防落梁的設(shè)置比較關(guān)鍵。采用支座剪壞，通過(guò)摩擦耗能時(shí)，防落梁應(yīng)與支座有一定的距離，以保證摩擦耗能的實(shí)現(xiàn)，從而減少地震力的往下傳遞。如本結(jié)構(gòu)計(jì)算得知墩梁縱、橫向最大位移值，則防落梁設(shè)置時(shí)，參考計(jì)算結(jié)果，將防落梁設(shè)置離支座凈距縱橫向分別為0.22 m、0.18 m左右比較合理，保證支座剪壞后的活動(dòng)?？紤]縱向梁體可能的碰撞，兩聯(lián)之間的伸縮縫值也應(yīng)根據(jù)支座剪壞后的結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，確保不發(fā)生梁體碰撞損傷。當(dāng)采用墩身延性耗能時(shí)，防落梁應(yīng)靠近支座設(shè)置，并加強(qiáng)防落梁的抗剪設(shè)計(jì)，確保上部結(jié)構(gòu)力完整傳遞至橋墩下部，從而保證塑性鉸的順利行程。防落梁的抗剪計(jì)算值應(yīng)按照能力保護(hù)構(gòu)件原則，采用塑性鉸的彎矩進(jìn)行反算得到剪力值，并乘以1.2～1.5倍的超強(qiáng)系數(shù)。

6結(jié)論

(1)支座剪壞耗能和橋墩延性均能顯著減少地震荷載對(duì)下部結(jié)構(gòu)的作用。在縱向輸入下，墩身延性的減震效果要優(yōu)于支座剪壞，而在橫向輸入下，支座剪壞比墩身延性更能明顯地減少結(jié)構(gòu)受力。

(2)采用支座剪壞耗能時(shí)，建議防落梁設(shè)置于遠(yuǎn)離支座位置處，并適當(dāng)留出滑動(dòng)空間以便于耗能，保證耗能作用效應(yīng)的產(chǎn)生，從而減少地震力的下傳，具體距離可參考非線性時(shí)程結(jié)果。

(3)采用橋墩延性進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，防落梁應(yīng)設(shè)置緊鄰支座，其抗剪能力可參考能力保護(hù)構(gòu)件的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行處理。

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中圖分類(lèi)號(hào)：U442.5+5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7479(2015)02-0093-04

作者簡(jiǎn)介：雷昕弋(1982—)，男，2009年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)橋梁與隧道工程專(zhuān)業(yè)，工學(xué)碩士，工程師，E-mail：390803165@qq.com。

收稿日期：2014-12-23