基于改良桥墩延性的高速铁路桥梁抗震性能研究★

夏晓东 刘 林

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司桥梁工程设计研究院，北京 100055;2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)

0 引言

汶川大地震导致多座桥梁被损坏，不仅造成了直接经济损失，还给紧急救援增加了难度。地震发生后，国内的研究人员已经开始对地震引发的桥梁破坏展开积极的调查和分析，并提出了很多建设性意见。近几年，一部分桥梁抗震设计标准已修订完成，并付诸实施。在铁路桥梁领域，地震研究的问题主要集中在桥梁地震响应对铁路的影响以及高速铁路桥梁的抗震性能设计。为了列车的行驶安全，铁路桥梁的桥墩通常被设计成重量和刚度都很大的结构，即使是震区的桥梁其桥墩配筋率也低于0.2%。因此，在汶川大地震中，许多铁路桥墩暴露出易碎、弯曲不足的弊端，如图1所示。

本文提出了一种适用于铁路桥梁的延性改良桥墩，下面文章将以实际工程为例，通过建立全桥有限元模型，对延性改良桥墩和常规桥墩的抗震性能做出具体的比较分析。

1 工程概况和模型

1.1 工程概况

本文以一座4孔32 m简支箱梁铁路桥为研究对象，见图2，桥梁全长145.3 m，设计时速250 km/h。采用圆端形桥墩，墩高10 m。桥墩顺桥向2.5 m，横桥向6.4 m。基础采用钻孔灌注桩，桥墩桩基桩径1.0 m，桩长22 m。桥台桩基桩径1.25 m，桩长31 m。每孔梁4个支座，分别为固定、横向活动、纵向活动和多向活动支座。

图1 铁路桥墩的脆性弯曲破坏示意图

图2 桥梁立面图（单位：cm）

本文选择了3种地震波，分别是由《铁路工程抗震设计规范》中的设计加速度反应谱生成的模拟地震波、PET地震波(Cape Mendocino，1992 年)和 Shifangbajiao地震波(Wenchuan，2008 年)。地面峰值加速度取0.38g，相当于重现期为2475年的剧烈地震。

1.2 桥梁建模

采用Midas建立三维有限元全桥模型，模拟桥梁结构局部非线性和桩—土相互作用效应。梁部、桥墩和桩基采用3D梁单元模拟，采用非线性杆单元模拟塑性铰的转动，采用弹簧单元模拟桩与土的相互作用，活动支座表现出双线性迟滞行为，选用非线性杆单元模拟活动支座，摩擦系数取为0.04。32m简支梁梁重为719 t，二期恒载为198 kN/m。桥梁墩台编号从左至右为0号～4号。

在结构周期和模态分析中，使用等效线刚度来表现桥梁结构的非线性行为。计算主要选取了前100阶振型。前3阶为顺桥向，第4 阶为横桥向，自振周期分别为 0.723 s，0.655 s，0.603 s和0.512 s。

2 考虑延性改良后桥墩的强度和延性

对于常规的铁路桥梁桥墩来说，纵向钢筋是沿着桥墩截面周长方向布置，如图3a)所示，在这种布置方式下，箍筋与纵向钢筋绑扎形成钢筋笼，除了固定纵向钢筋外还提供抗剪作用，但是对于箍筋内部的混凝土并没有产生任何影响。

为了增强钢筋对混凝土的侧向压力，本文提出了一种改进的钢筋布置形式，如图3b)所示。在桥墩截面内，增加三个或以上相互交叉的封闭圆形箍筋，圆形箍筋内的混凝土可以看作约束混凝土，箍筋外的混凝土为非约束混凝土。

对上面提到两种截面类型做弯矩—曲率分析，如图2所示的工程中，每个桥墩的恒载竖向力为24.107 MN，结果表明:约束混凝土和非约束混凝土的本构关系服从Mander模型(Priestley等人，1996)，钢筋服从双线性模型。

等效塑性铰长度计算公式如下:

式中:Lp——等效塑性铰长度，mm;

H——桥墩高度或塑性铰到弯矩拐点间的距离，mm;

fy——纵向受力钢筋抗拉强度标准值，MPa;

ds——纵向受力钢筋直径，MPa。

图3 两种类型的桥墩截面

分别计算了两种类型的桥墩在纵向、横向的强度和延性，如表1，表2和图4所示。

表1 桥墩截面纵向强度和延性

表2 桥墩截面横向强度和延性

图4 弯矩—曲率关系

从表中可以看到，两种截面的有效屈服弯矩比分别为纵向1.173，横向 1.170;截面屈服曲率比分别为纵向 1.578，横向1.470;桥墩允许转角比值分别为纵向1.523，横向1.555。对比结果表明，本文提出的钢筋布置形式在强度和延性两方面都要优于常规形式。

3 抗震性能评估

本文对上述提到的两种桥墩做了罕遇地震下的非线性动力计算，并从以下两方面进行对比分析。

3.1 桥墩塑性铰转动分析

在剧烈的地震中，桥墩塑性铰的转动能力对桥梁的安全具有非常重要的意义。非线性动力分析结果表明，在三种地震波的作用下，所有的桥墩在纵向、横向都会发生屈服。塑性铰转动角度如表3，表4所示。从表中可以看出，对于延性改良后的桥墩和常规桥墩来说，塑性铰的抗震计算实际值仅有细微的差别，但是，两种类型桥墩的转动能力具有明显的不同。

对于延性改良的桥墩方案，在上文提到的三种地震波的激励下，所有的桥墩在纵向、横向均表现出足够的转动能力。但是，对于常规桥墩方案来说，所有的桥墩在模拟地震波和PET地震波的作用下，纵向的转动能力均表现不足;2号桥墩在三种地震波的作用下，横向的转动能力不足。

表3 桥墩纵向塑性铰转动 ×10－3 rad

表4 桥墩横向塑性铰转动 ×10－3 rad

延性改良桥墩的塑性铰在两个方向均表现出良好且稳定的弯矩—转角滞回关系，如图5所示。

图5 模拟地震波作用下2号桥墩塑性铰的弯矩—转角滞回关系曲线

图中的封闭区域，反映了在形成塑性铰的位置发生塑性变形过程中能量耗散的情况。

3.2 活动支座位移分析

支座的变形能力对于桥梁的抗震稳定性具有很重要的影响。表5示出了纵向活动支座位移的计算值和允许值。对于不同的墩台，支座位移值也不尽相同，1号桥墩和4号桥台的位移值比2号、3号桥墩要大很多。这一结果表明，虽然桥梁的部分结构产生了非线性行为，但是对于支座的响应，基本振型仍然是主导因素。对于1号桥墩和4号桥台，纵向活动支座的位移允许值/计算值分别是0.6和0.7。因此，无论采用何种类型的桥墩，支座的位移量都是明显不足的。在这种情况下，可以采用限位装置或阻尼器来控制支座的位移。

表5 纵向活动支座的位移 cm

1号桥墩和2号桥墩纵向活动支座的力—位移曲线如图6所示。通过活动支座的位移，能够消耗掉一小部分地震能量。

图6 PET地震波作用下1号桥墩和2号桥墩活动支座纵向剪力—位移曲线

4 结语

本文对中国地震多发地区的高速铁路桥梁提出了一种延性改良的设计方法。该方法在常规桥墩内布置一些相互交叉的封闭圆形螺旋箍筋，弯矩—曲率分析表明，相对于常规的桥墩截面，这种新型桥墩具有更好的延性。

此外，依据实际工程，利用Midas Civil建立两种桥墩的有限元模型，进行抗震性能对比研究。在不同地震波的作用下，进行罕遇地震非线性动力分析。

基于上述分析，可以得出以下结论:

1)本文提出的桥墩钢筋布置形式，能给混凝土提供效果非常明显的侧压力，有效提高了桥墩的延性。

2)常规桥墩的塑性铰转动能力存在不足，尤其是在高烈度震区。在这种情况下，可以采用文中提到的钢筋布置形式作为替代方案。

3)对于墩高基本相同的桥梁，虽然桥梁的局部产生了非线性行为，但是第1阶纵向振型和第1阶横向振型仍然对结构起主导作用。

4)由于第1阶纵向振型的贡献，边孔梁的活动支座位移非常大，可以采用限位装置或阻尼器来控制支座的位移。

［1］GB 50111-2006，铁路工程抗震设计规范［S］.

［2］TB 10621-2009，高速铁路设计规范［S］.

［3］TB 10002.1-2005，铁路桥涵设计基本规范［S］.

［4］丁明波，陈兴冲.客运专线桥墩—基础滞回特性的模型试验研究［J］.兰州交通大学学报，2008，27(3):5-8.

［5］郑 健.中国高速铁路桥梁［M］.北京:高等教育出版社，2008.