铁路矮塔斜拉桥弹塑性地震反应分析

刘孟云

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300241)

1 工程概况

矮塔斜拉桥是一种比较新颖的介于连续梁桥和斜拉桥之间的一种斜拉组合体系桥型。它的特点是受力性能好、性价比合理、施工方便、外形美观。

目前，矮塔斜拉桥在公路建设中已被广泛应用，但在铁路建设中还比较少见。国内仅有芜湖长江大桥是公路、铁路两用的矮塔斜拉桥。本文所引用的工程实例——天津枢纽津沪联络线特大桥，是我国把矮塔斜拉桥用于铁路建设的一次新的尝试。

本桥设计长度360.8 m，孔跨布置采用(65.4+115+115+65.4)m，共4孔(图1)。横向双线中心间距4.2 m，主梁宽度14.4 m，索塔横向间距13.4 m。

图1 整体布置示意图

2 建模

根据实例桥梁结构特点，本文借助有限元分析软件MIDAS建立了该桥的空间有限元模型(图2)。按照《铁路工程抗震设计规范》(GB 50111－2005)的规定，全桥共划分为257个单元，273个节点。主梁及桥墩、桥塔用梁单元模拟，斜拉索用桁架单元模拟，承台底固接，箱梁采用单箱三室截面。

图2 MIDAS全桥模型

3 弹塑性地震反应分析

地震反应分析方法的不断完善需要依赖于地震力理论逐步发展。随着地震作用理论的不断演化，在目前为止，常用的确定性地震反应分析方法总共有三种，即静力法、反应谱法和动态时程分析法。本文着重对实例桥梁模型进行弹塑性动态时程法分析。

3.1 截面的弯矩～曲率关系

本文采用的是武田(Takeda)三线性弯矩～曲率滞回模型(配筋率取0.7%，配箍率取0.05%)，计算所得B墩、B塔底截面武田三线性骨架曲线见图3、图4(其余截面骨架曲线未一一列出)，弯矩－曲率关系见表1。

图3 顺桥向B墩底截面三线性骨架曲线

图4 顺桥向B塔底截面三线性骨架曲线

表1 刚构桥墩、塔底截面的弯矩－曲率一览表

3.2 弹塑性动态时程法分析

天津枢纽津沪联络线特大桥位于7度地震区，场地类型III类，特征周期分区2区。参照《铁路工程抗震设计规范》的规定，在7度区的罕遇地震下的重要桥梁，水平地震加速度α取0.32 g。本文在选择地震波时，采用历史记录的罕遇实际地震波，分别选用 El Centro地震波、Taft地震波和Northridge地震波，调整峰值为0.32 g之后的三条波见图5～图7。

图5 调整后的Elcentro波

图6 调整后的Taft波

图7 调整后的Northridge波

文中的弹塑性分析考虑地震力的纵向(X向)和横向(Y向)输入。由于所用实例桥梁墩、塔都较矮，所以地震波输入时墩底和塔底部所受的地震力最大，故本文将塑性铰的位置定义在桥墩和索塔的最底部单元。

3.3 弹塑性时程分析计算结果

计算过程中发现，在罕遇地震时，地震波横向输入时不能使桥墩和索塔底部进入塑性阶段，所以本文只提取了三种地震波作用下顺桥向关键部位的计算结果(其中顺桥向索塔底部未进入塑性阶段，如图12所示)，其余结果未一一列出。

表2 按弹性和弹塑性罕遇地震顺桥向时程分析计算的B塔、墩最大位移值和B塔、墩底最大弯矩值

3.4 抗震验算

钢筋混凝土桥墩在罕遇地震作用下的弹塑性变形分析，采用非线性时程分析法时，根据规范规定延性验算应满足式(1)要求。

式中:μu为非线性位移延性比;［μu］为允许位移延性比，取值为4.8;Δmax为桥墩的非线性响应最大位移(Δmax=89.35 mm);Δy为桥墩的屈服位移;Φy为屈服曲率(Φy=5.2E－04/m);H为桥墩高度(H=13 m)。

经过计算μu=3.05＜［μu］=4.8，满足规范要求。

图8 顺桥向E波作用下的B塔顶位移时程曲线

图9 顺桥向E波作用下的B塔底弯矩时程曲线

图10 顺桥向E波作用下的B墩顶位移时程曲线

图11 顺桥向E波作用下的B墩底弯矩时程曲线

图12 E波作用下桥塔底弯矩－曲率滞回曲线

图13 E波作用下桥墩底弯矩－曲率滞回曲线

4 结论

本文通过对该桥进行罕遇地震下的弹塑性地震反应震分析，即非线性时程反应分析，主要得到如下结论:

(1)在顺桥向罕遇地震地震波作用下，墩底进入塑性，但塔底均处于弹性范围内;而横向地震波作用下，墩底、塔底均处于弹性范围内，未发生屈服。

(2)在顺桥向罕遇地震地震波作用下，经过计算μu=3.05 ＜［μu］=4.8，满足延性要求。

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