考慮樁土作用某連續(xù)梁橋抗震性能研究

繆世銳

(西南交通大學(xué)，四川 成都 610031)

0 前 言

連續(xù)梁橋在我國(guó)的基礎(chǔ)建設(shè)中使用廣泛，連續(xù)梁在恒活載作用下，產(chǎn)生的支點(diǎn)負(fù)彎矩對(duì)跨中正彎矩有卸載的作用，使內(nèi)力狀態(tài)比較均勻合理，因而梁高可以減小，由此可以增大橋下凈空，節(jié)省材料，且剛度大，整體性好，超載能力大，安全度高，橋面伸縮縫少，并且因?yàn)榭缰薪孛娴膹澗販p小，使得橋跨可以增大[1-4]。因?yàn)槠渚哂性S多優(yōu)點(diǎn)，所以在較大跨度的預(yù)應(yīng)力混凝土橋應(yīng)用很廣泛。

連續(xù)梁橋在恒載作用下，由于支點(diǎn)負(fù)彎矩的卸載作用，跨中最大正彎矩顯著減小，因此，用在較大跨徑時(shí)相較簡(jiǎn)支梁橋經(jīng)濟(jì)。連續(xù)梁在每個(gè)墩臺(tái)上只需設(shè)一個(gè)支座，橋墩寬度小，節(jié)省材料;而且梁連續(xù)通過支座，接縫少，行車平順，因此，對(duì)高速行車有利；因?yàn)樯鲜龅囊幌盗袃?yōu)點(diǎn)，連續(xù)梁橋在我國(guó)大量的修建使用。對(duì)于鐵路橋梁而言,其動(dòng)力特性的影響因素除上部結(jié)構(gòu)及橋梁支座外,橋墩-樁基體系也是一個(gè)不可忽視的方面[3]。近年來我國(guó)地震頻發(fā)，2008年“5·12”汶川8.0級(jí)巨震、2010年青海省玉樹7.1級(jí)大地震、2013年四川省雅安市蘆山縣7.0級(jí)大地震。這些大地震均造成大量建筑物的損壞，其破壞力遠(yuǎn)大于其他自然災(zāi)害。如1976年唐山7.8級(jí)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(dǎo)致更多的生命喪失[2, 5]。汶川地震中，四川省內(nèi)受損的橋梁超過2000多座，嚴(yán)重破壞者70多座，完全失效者達(dá)52座[6]。

在這些地震中，許多的混凝土橋梁都遭受了不同程度的破壞，嚴(yán)重影響了災(zāi)后的救援工作。所以為了確保橋梁在地震發(fā)生后還能正常使用，針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的抗震減災(zāi)措施的研究?jī)?nèi)容也越來越受重視，本文以某高速鐵路橋梁為例，對(duì)其在考慮樁土作用下的抗震性能進(jìn)行研究，為類似建設(shè)及橋梁抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

某高速鐵路橋是張家界至懷化高鐵中的一座懸臂施工的預(yù)應(yīng)力混凝土雙線連續(xù)梁橋，橋梁總長(zhǎng)275 m，跨徑組合為75+125+75(m)。設(shè)計(jì)速度為350 km/h，線路為板式無咋軌道，曲線半徑大于7 000 m，正線間距5.0 m。箱梁為單箱單室、變高度、變截面結(jié)構(gòu)。中間支點(diǎn)位置截面梁高9.4 m，跨中及邊跨截面梁高為 5.4 m；梁底下緣變化按二次拋物線變化，腹板厚度按折線變化，底板厚按二次拋物線變化。二期恒載的大小按照直曲線無聲屏障140 kN/m，直曲線有聲屏障按160 kN/m計(jì)算。溫度梯度按照規(guī)范然后依據(jù)橋梁所在地月平均最高與最低氣溫確定整體升降溫為±20 ℃。頂板溫度升溫8 ℃計(jì)算。主梁采用C55混凝土，普通鋼筋采用HPB300鋼筋，縱向預(yù)應(yīng)力束冷拔高強(qiáng)鋼絞線。

2 高速鐵路橋梁Midas模型簡(jiǎn)介及靜力分析

本橋采用大型有限元軟件Midas/Civil進(jìn)行分析計(jì)算，采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行三維模擬計(jì)算，全橋共個(gè)90個(gè)梁?jiǎn)卧?04個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。等到橋梁主體施工結(jié)束，橋面的附屬設(shè)施修建完工，再等到主梁的混凝土收縮徐變基本完成以及預(yù)應(yīng)力鋼絞線松弛以后，把這個(gè)階段的橋梁看作成橋階段。

圖1 全橋有限元模型

由分析計(jì)算結(jié)果可以得知，靜活載作用下最大撓度值為-46.25 mm，為跨度的L/2 073，小于控制值1.1L/1 500，符合規(guī)范的要求。

3 地震作用下動(dòng)力時(shí)程分析

本文基于商業(yè)通用軟件Midas，首先建立考慮樁土作用與墩底固結(jié)的有限元模型，如圖2所示。

圖2 樁土作用模型

對(duì)該高速鐵路橋梁有限元數(shù)值模型進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析。橋梁的地震響應(yīng)時(shí)程分析結(jié)果如圖3～4所示，因篇幅原因，本文只列出樁土作用模型的主墩時(shí)程結(jié)果。

圖3 2號(hào)墩內(nèi)力/MPa

圖4 3號(hào)墩內(nèi)力/MPa

從分析結(jié)果可以看出，該橋在墩底固結(jié)與樁土作用下兩種工況下運(yùn)用時(shí)程分析法得到的最大位移分別為15.33 mm與31.56 mm，但是固定墩彎矩明顯變小。本文研究可為易發(fā)地震地區(qū)的高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

4 結(jié) 論

本文以某高速鐵路橋梁為背景，對(duì)該類型橋梁的墩底固結(jié)模型以及樁土作用模型的抗震性能進(jìn)行研究。研究結(jié)果顯示，地震作用下高速鐵路橋梁最大節(jié)點(diǎn)位移在控制范圍內(nèi)，基本滿足使用要求。本文研究可為易發(fā)巨震地區(qū)的高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。