摘要：依托某鐵路項(xiàng)目的多跨剛構(gòu)-連續(xù)組合橋梁，運(yùn)用三維有限元軟件MIDAS/CIVIL構(gòu)建整體數(shù)值模型，以分析結(jié)構(gòu)的動力特性，并對連續(xù)剛構(gòu)體系、連續(xù)梁體系的動力特性進(jìn)行對比研究，研究在地震作用下多跨剛構(gòu)-連續(xù)組合橋的抗震性能。研究結(jié)果表明，多跨剛構(gòu)-連續(xù)組合橋的抗震性能滿足規(guī)范要求，為后續(xù)類似高墩多跨剛構(gòu)-連續(xù)組合鐵路橋梁的提供有益參考。

關(guān)鍵詞：鐵路橋；高墩；多跨；剛構(gòu)-連續(xù)；抗震

0" "引言

隨著我國鐵路交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的快速發(fā)展，線路交叉情況逐漸增多，新建線路的線位也越來越高，橋墩高、跨度大、跨數(shù)多的橋梁不斷涌現(xiàn)[1]。此類橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工工藝繁瑣，如設(shè)計(jì)存在或施工處理不當(dāng)在地震時(shí)極容易發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞問題[2]。地震是威脅橋梁結(jié)構(gòu)安全的重要因素之一，不僅會造成地裂、滑坡、塌方、岸坡滑移和砂土液化等現(xiàn)象，在險(xiǎn)峻山區(qū)、軟黏土河岸處，還可能出現(xiàn)塌方、岸坡滑動及山石滾落等災(zāi)害[3-4]?；诖?，本文依托某鐵路項(xiàng)目多跨剛構(gòu)-連續(xù)組合橋梁，研究在地震作用下多跨剛構(gòu)-連續(xù)組合橋的抗震性能。

1" "工程概況

本研究以新建鐵路渝萬高鐵七里村雙線特大橋?yàn)樵O(shè)計(jì)對象。該橋?yàn)椋?8+3×80+48）m預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)-連續(xù)組合橋。橋梁部采用單箱單室、變高度直腹板截面設(shè)計(jì)，梁體全長337.5m。主墩及交接墩均采用空心墩，其中19#、24#墩作為大小里程交接墩，墩高分別為66m和62.5m；21#、22#主墩作為墩梁固結(jié)的剛構(gòu)體系，墩高分別為57.5m和61m；20#、23#次主墩作為連續(xù)體系，墩高分別為62.5m、59.5m。主墩墩身在縱橋向?qū)挾葹?m，橫橋向墩頂寬度為8.7m墩底按橫向采取1：30放坡設(shè)計(jì)。

2" "自振特性分析

2.1" "靜態(tài)分析

本研究利用MIDAS/CIVIL軟件建立空間動力分析模型。模型中，全橋采用梁單元模擬主橋梁部及橋墩基礎(chǔ)，剛構(gòu)墩通過剛性連接模擬，支座通過彈性連接模擬，基礎(chǔ)通過M法等效剛度模擬[5]。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用C50混凝土，下部結(jié)構(gòu)采用C40混凝土設(shè)計(jì)，并考慮了二期恒載120kN/m的影響。全橋計(jì)算模型如圖1所示。

自振特性參數(shù)是反映橋梁結(jié)構(gòu)動力分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是在地震作用下結(jié)構(gòu)的性能分析的必備數(shù)據(jù)，對于評估橋梁在地震作用下的性能至關(guān)重要[6]。本橋采用反應(yīng)譜分析結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生后的基本振型，以獲取結(jié)構(gòu)抗震的基本特征。七里村特大橋主要振型計(jì)算結(jié)果如圖2。七里村特大橋振型特征值如表1所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果表明，橋梁結(jié)構(gòu)橫向一階自振周期為1.566s，滿足橋梁設(shè)計(jì)的橫向剛度要求。此外，主橋結(jié)構(gòu)縱向振動優(yōu)先與橫向振動出現(xiàn)，說明橋梁主墩橫向剛度大于縱向剛度。

2.2" "自振特性影響因素分析

2.2.1" "3種體系動力特性對比

為了更深入地了解自振特性的影響因素，本研究分別分析了剛構(gòu)-連續(xù)組合體系、連續(xù)剛構(gòu)體系和連續(xù)梁體系的動力特性，對比橋梁結(jié)構(gòu)主要自振頻率，得出3種體系橋梁主要振型如圖3所示。

從圖3可看出，橋梁結(jié)構(gòu)采用連續(xù)剛構(gòu)體系時(shí)的各階頻率最大，剛構(gòu)-連續(xù)組合體系居中，連續(xù)梁體系最小。墩梁固結(jié)體系的增大，會大大提升橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度。在高墩多跨橋梁的結(jié)構(gòu)類型選擇中，剛構(gòu)-連續(xù)組合體系因其綜合優(yōu)勢而備受青睞。

2.2.2" "橋墩橫向剛度對動力特性影響分析

為了研究橋墩橫向剛度對動力特性的影響，本文通過改變剛構(gòu)主墩橫向坡比，以改變橋墩橫向剛度，從而分析不同坡比下的一階橫向振型下的自振周期。主墩順橋向?qū)挾葹?m，橫橋向墩頂寬度為8.7m，橫橋向分別采用1：20、1：30和1：40放坡對比計(jì)算，得出不同剛度下橋梁的自振周期對比如表2所示。

以上計(jì)算數(shù)據(jù)表明，合理設(shè)計(jì)和控制橋墩的橫向剛度，可以有效地提高剛構(gòu)-連續(xù)組合橋梁的動力特性，減小結(jié)構(gòu)振動對橋梁安全性和舒適度的影響。綜合考慮工程材料用量問題，本設(shè)計(jì)采用主墩墩身橫向1：30放坡，符合設(shè)計(jì)要求。

3" "地震反應(yīng)譜分析

在鐵路橋梁的抗震設(shè)計(jì)中，通常會根據(jù)地震設(shè)防目標(biāo)來設(shè)定不同的抗震水準(zhǔn)，并據(jù)此進(jìn)行地震反應(yīng)譜分析。地震反應(yīng)譜分析是評估橋梁抗震性能的重要手段，它基于地震動特性和橋梁結(jié)構(gòu)動力特性，通過計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)在不同地震作用下的響應(yīng)，來評估橋梁的抗震性能[7]。

3.1" "地震反應(yīng)譜分析要求

在進(jìn)行地震反應(yīng)譜分析時(shí)，需要考慮地震動的強(qiáng)度、頻譜特性和持續(xù)時(shí)間等因素，并結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性、阻尼比等參數(shù)，計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，包括位移、內(nèi)力等。通過對比橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)與規(guī)定的限值，可以評估橋梁的抗震性能是否滿足要求。

對于高墩多跨剛構(gòu)-連續(xù)組合橋梁來講，進(jìn)行抗震性能分析時(shí)，需要特別關(guān)注墩高、跨度以及體系連接等因素對結(jié)構(gòu)動力特性的影響。同時(shí)，還需要考慮橋梁在不同地震作用下的破壞模式和損傷機(jī)制，以確保橋梁在地震作用下能夠保持足夠的穩(wěn)定性和承載能力。

3.2" "地震反應(yīng)譜分析方法

基于橋梁主跨、橋址區(qū)地震烈度綜合考慮，本橋采用反應(yīng)譜法分析橋梁抗震性能。反應(yīng)譜法分析分為橫向地震作用時(shí)和縱向地震作用時(shí)兩大類，其中橫向地震作用時(shí)需考慮恒載與50%活載組合設(shè)計(jì)，縱向地震作用時(shí)恒載不與活載組合設(shè)計(jì)。

3.2.1" "確定抗震設(shè)防目標(biāo)及分析方式

依據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50111—2006），采用的三水準(zhǔn)設(shè)防[8]，確定抗震設(shè)防的要求如表3所示。

3.2.2" "各參數(shù)設(shè)計(jì)與計(jì)算

地震設(shè)計(jì)參數(shù)采用安全評測報(bào)告中提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，多遇地震與設(shè)計(jì)地震參數(shù)動參數(shù)如表4所示。反應(yīng)譜設(shè)計(jì)公式如下：

（1）

式中：T為結(jié)構(gòu)自振周期；Amax為峰值加速度；Tg為特征周期；βm為相對反應(yīng)譜最大值。

抗震設(shè)計(jì)均按前100階振型考慮，按反應(yīng)譜按振型參與質(zhì)量超過90%控制。根據(jù)地震反應(yīng)譜分析結(jié)果，在多遇地震、設(shè)計(jì)地震下分別對控制截面進(jìn)行驗(yàn)算。多遇地震下主墩截面抗震檢算結(jié)果如表5所示。設(shè)計(jì)地震下主墩截面抗震檢算結(jié)果如表6所示。

3.2.3" "計(jì)算結(jié)果分析

對計(jì)算結(jié)果分析可知，本橋在多遇地震及設(shè)計(jì)地震作用下均滿足規(guī)范要求。主墩在縱向地震力作用下的檢算結(jié)果大于橫向地震作用下的檢算結(jié)果，且與橋墩在各個(gè)方向得剛度大小相對應(yīng)。地震峰值加速度越大，墩身混凝土壓應(yīng)力、鋼筋拉應(yīng)力和裂縫等檢算結(jié)果越大。

3.2.4" "相關(guān)設(shè)計(jì)建議

對于高墩多跨剛構(gòu)-連續(xù)組合橋梁，在初步設(shè)計(jì)階段充分重視其抗震性能設(shè)計(jì)。結(jié)合橋址區(qū)的地震動特點(diǎn)，可通過優(yōu)化橋梁的結(jié)構(gòu)布置[9]和墩身剛度設(shè)計(jì)，提高橋梁的整體抗震能力。對于關(guān)鍵截面和構(gòu)件，應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的抗震性能分析和驗(yàn)算，確保其在地震作用下的安全性和穩(wěn)定性。同時(shí)，應(yīng)關(guān)注橋梁結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)制[10]和破壞模式，為后續(xù)的抗震設(shè)計(jì)和加固提供依據(jù)。

4" "結(jié)束語

本文依托某鐵路項(xiàng)目的多跨剛構(gòu)-連續(xù)組合橋梁，運(yùn)用三維有限元軟件MIDAS/CIVIL構(gòu)建整體數(shù)值模型，以分析結(jié)構(gòu)的動力特性，并對連續(xù)剛構(gòu)體系、連續(xù)梁體系的動力特性進(jìn)行對比研究，研究在地震作用下多跨剛構(gòu)-連續(xù)組合橋的抗震性能，得到如下成果：

剛構(gòu)-連續(xù)組合體系融合了連續(xù)剛構(gòu)和連續(xù)梁的優(yōu)勢，因此在高墩多跨橋梁的結(jié)構(gòu)選型中應(yīng)優(yōu)先考慮。合理設(shè)計(jì)和控制橋墩的橫向剛度，可以有效地提高剛構(gòu)-連續(xù)組合橋梁的動力特性，減小結(jié)構(gòu)振動對橋梁安全性和舒適度的影響。鑒于橋址區(qū)地震烈度相對較低，多遇地震對橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響并不顯著。在設(shè)計(jì)地震工況下，高墩多跨剛構(gòu)-連續(xù)組合鐵路橋梁依然能夠較好地滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

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