巨震作用下某高速鐵路橋梁抗震性能分析

陳凡丁

(西南交通大學(xué)，四川 成都 610031)

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展、人民生活的進(jìn)一步改善及城市化進(jìn)程的全面展開，我國(guó)西部地區(qū)高速鐵路建設(shè)得到了迅速發(fā)展。橋梁已是構(gòu)建鐵路本體最基本和重要工程結(jié)構(gòu)之一[1]，橋梁技術(shù)已是現(xiàn)代高速鐵路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。其作為高速鐵路的重要組成部分，主要功能是為高速列車提供穩(wěn)定、平順的橋上線路，以確保列車安全運(yùn)營(yíng)和旅客乘坐舒適[2-3]。

當(dāng)高速鐵路橋建設(shè)進(jìn)入持續(xù)建設(shè)高潮時(shí)，地球似乎也進(jìn)入了一個(gè)地震頻發(fā)的時(shí)期，且地震活動(dòng)常呈現(xiàn)時(shí)空分布不均勻特征[4]，如1999年臺(tái)灣9.21集集地震、2008年5.12汶川8.0級(jí)巨震、2009年印尼蘇門答臘7.7級(jí)地震、2010年海地大震、2010年智利8.8級(jí)巨震、2010年青海省玉樹7.1級(jí)大地震、2011年日本3.11東日本大地震、2013年四川省雅安市蘆山縣7.0級(jí)大地震、2016年新西蘭8.0級(jí)巨震、2017年墨西哥沿岸近海8.2級(jí)強(qiáng)震、2018年阿拉斯加灣8.0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)大于其它自然災(zāi)害。如1976年唐山7.8級(jí)大地震，造成24萬(wàn)人直接在地震中死亡，16萬(wàn)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(lái)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(guò)2 000多座，嚴(yán)重破壞者70多座，完全失效者達(dá)52座。臺(tái)灣集集地震震區(qū)約有20 %的橋梁受到不同程度損壞，嚴(yán)重破壞者達(dá)20多座[6]。

針對(duì)巨震作用下橋梁破壞較為嚴(yán)重的問(wèn)題，本文以某高速鐵橋梁為例，對(duì)其在巨震作用下的抗震性能進(jìn)行研究，為高鐵建設(shè)及橋梁抗震規(guī)范修訂提供參考。

1 高速鐵路橋梁簡(jiǎn)介

橋梁上部結(jié)構(gòu)形式為(60+100+60) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋(圖1)。本橋?yàn)殡p線橋，線間距4.6 m；設(shè)計(jì)行車速度為250 km/h的客運(yùn)專線，橋面鋪設(shè)CRTS III型板式無(wú)砟軌道；設(shè)計(jì)活載采用ZK活載。連續(xù)梁起止里程為D2K17+032.35～D2K17+253.7，墩號(hào)為12#～15#墩。主跨13#～14#墩跨越既有樂(lè)宜高速公路。箱梁為單箱單室、變高度、變截面結(jié)構(gòu)。截面高度4.8～7.8 m，箱梁頂寬12.2 m，底寬6.7 m，梁底按二次拋物線變化。連續(xù)梁采用掛籃懸臂施工，0#節(jié)段長(zhǎng)12 m，直線現(xiàn)澆段長(zhǎng)5.75 m，邊、中合龍段各長(zhǎng)2 m。對(duì)稱懸臂施工12#節(jié)段后，即進(jìn)行中合龍，之后掛籃施工邊跨13節(jié)段，再進(jìn)行全橋邊合龍。主梁采用C55混凝土，縱向預(yù)應(yīng)力束采用15-15.2 mm、12-15.2 mm鋼絞線，橫向預(yù)應(yīng)力束采用4-15.2 mm鋼絞線，豎向預(yù)應(yīng)力采用32 mm-PSB830螺紋鋼筋。

2 高速鐵路橋梁Midas模型簡(jiǎn)介及驗(yàn)證分析

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80個(gè)單元，85個(gè)節(jié)點(diǎn)(圖1)。本橋地質(zhì)條件較好，且橋墩較矮，剛度大，進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)本橋?qū)ο虏拷Y(jié)構(gòu)按固結(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。根據(jù)設(shè)計(jì)擬定的施工方法、施工工況，按設(shè)計(jì)及規(guī)范對(duì)該橋進(jìn)行靜力分析，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

圖1 全橋有限元模型

本橋節(jié)段標(biāo)高測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示，應(yīng)力測(cè)試斷面及測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。根據(jù)本橋目前施工進(jìn)度，全橋預(yù)應(yīng)力張拉后標(biāo)高通測(cè)理論值與實(shí)測(cè)值如圖4所示，理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比，誤差在-16～16 mm之間。個(gè)別點(diǎn)位誤差14～16 mm主要原因在于懸臂施工期混凝土澆筑橋面不平整，需在后期進(jìn)行打磨。本橋應(yīng)力測(cè)試工況為節(jié)段混凝土澆筑完畢、預(yù)應(yīng)力張拉結(jié)束后進(jìn)行對(duì)應(yīng)斷面應(yīng)力測(cè)試。由于測(cè)試數(shù)據(jù)較多和篇幅受限，本文僅給出全橋合龍所有預(yù)應(yīng)力張拉結(jié)束后應(yīng)力值(圖5)。

圖2 節(jié)段標(biāo)高測(cè)點(diǎn)布置

(a) 應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)斷面布置

(b) 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置圖3 應(yīng)力測(cè)試斷面及測(cè)點(diǎn)布置

圖4 全橋預(yù)應(yīng)力張拉通測(cè)理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖5 全橋合龍預(yù)應(yīng)力張拉結(jié)束應(yīng)力

從圖5可看出實(shí)測(cè)應(yīng)力與理論應(yīng)力變化趨勢(shì)一致，誤差很小，全截面受壓；有限元理論計(jì)算與實(shí)測(cè)值吻合，建立的模型合理，精度滿足要求。

3 巨震作用下動(dòng)力時(shí)程分析

本文基于商業(yè)通用軟件Midas，采用汶川和集集地震Ⅺ度Ⅹ度區(qū)內(nèi)的巨震記錄(051MZQ，TCU074，TCU078)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。全橋橫向最大位移圖、中跨跨中橫向位移時(shí)程圖及全橋最大應(yīng)力云圖分別于圖6～圖14所示。從圖中可以看出，巨震作用下高速鐵路橋梁最大節(jié)點(diǎn)橫向位移為25.28 mm，不會(huì)發(fā)生落梁現(xiàn)象，基本滿足使用要求；但是橋梁受拉區(qū)的受拉應(yīng)力值非常大，表明橋梁受損嚴(yán)重。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。

圖6 051MZQ地震波作用下全橋橫向最大位移(單位：mm)

圖7 051MZQ地震波作用下橋梁中跨跨中橫向位移時(shí)程(單位：mm)

圖8 051MZQ地震波作用下全橋最大應(yīng)力(單位：MPa)

圖9 TCU074地震波作用下全橋橫向最大位移(單位：mm)

圖10 TCU074地震波作用下中跨跨中橫向位移時(shí)程(單位：mm)

圖11 TCU074地震波作用下全橋最大應(yīng)力(單位：MPa)

4 結(jié)論

本文以某高速鐵路橋梁在汶川和集集破壞性地震動(dòng)記錄作用下為例，對(duì)該類型橋梁的抗震性能進(jìn)行研究。研究結(jié)果顯示，巨震作用下高速鐵路橋梁最大節(jié)點(diǎn)橫向位移在控制范圍內(nèi)，不會(huì)發(fā)生落梁現(xiàn)象，基本滿足使用要求；但是橋梁受

圖12 TCU078地震波作用下全橋橫向最大位移(單位：mm)

圖13 TCU078地震波作用下中跨跨中橫向位移時(shí)程(單位：mm)

圖14 TCU078地震波作用下全橋最大應(yīng)力(單位：MPa)

拉區(qū)的受拉應(yīng)力值非常大，表明橋梁受損嚴(yán)重。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。