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(duì)鐵路橋梁減隔震設(shè)計(jì)研究相對(duì)滯后，同時(shí)由于多跨簡(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)支梁橋?yàn)檠芯勘尘?，空心橋墩?gòu)造圖見(jiàn)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(jiǎn)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(duì)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(jiàn)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(chǎng)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(jiàn)圖3。同時(shí)由于近場(chǎng)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(chē)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(guó)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(chǎng)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(wú)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(duì)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(guò)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(jiàn)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(chǎng)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(duì)支座反力的影響過(guò)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(guò)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(jiàn)圖7，最大支座反力見(jiàn)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(duì)位移

本橋減隔震支座順橋向和橫橋向最大相對(duì)位移見(jiàn)表4。

表4 減隔震支座最大相對(duì)位移 mm

分析表4可知，橫橋向相對(duì)位移大于順橋向相對(duì)位移，說(shuō)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(duì)位移約為設(shè)計(jì)地震下相對(duì)位移的3倍，但罕遇地震作用下的相對(duì)位移最大為203.7 mm，未超過(guò)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(jiàn)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(jiàn)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(xiāo)破壞，減隔震支座開(kāi)始起作用。現(xiàn)按照上述配筋模型對(duì)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(guò)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(xiāo)的剪斷力存有10%的富余量。因此對(duì)其折減后可知最終使得減隔震開(kāi)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。