黄土高原高烈度地震区高墩大跨T形刚构桥抗震性能分析

白骥为

(兰州铁道设计院有限公司，甘肃兰州730000)

黄土高原高烈度地震区高墩大跨T形刚构桥抗震性能分析

白骥为

(兰州铁道设计院有限公司，甘肃兰州730000)

西部黄土高原常见山高谷深、沟壑纵横的地形，因此西部交通建设中高墩大跨度T形刚构桥的应用越来越多。庄科咀大桥位于西北黄土高原山区，是一座位于高烈度地震区的高墩大跨T构桥。采用M idas/Civil软件建立三维有限元模型，对该桥进行了动力特性分析、抗震性能分析，计算结果表明各项指标都满足规范要求。

黄土地区高墩 T形刚构桥 抗震分析

1 工程概况

1.1 地形地貌

庄科咀大桥位于宁夏固原市原州区东北部，横跨深切冲沟，沟槽深约76 m，图1。

图1 主桥立面(单位:cm)

1.2 地层岩性

据地质调查及钻探揭示，桥址区地层主要为第四系全新统冲积砂质黄土，上更新统风积砂质黄土，下第三系泥岩。

1.3 地震动参数

桥址区地震动峰值加速度0.20g(相当于地震基本烈度八度)，地震动反应谱特征周期0.45 s。

1.4 桥梁布置情况

主桥部分采用(95+95)m T形刚构，小里程端置于桥台上，主墩为1#墩，位于沟槽中心，与梁部固结。T构大里程端置于2#墩上，T构外接简支梁跨。

1.5 桥梁设计概况

全桥孔跨布置为(95+95)m T形刚构桥+3×32 m预应力混凝土简支梁桥，桥台均采用单线T形桥台，1#桥墩采用矩形薄壁空心桥墩，2#—4#墩为单线圆端形空心墩。所有桥墩均采用钻孔桩基础。

1.6 主墩结构构造

主桥桥墩采用变截面矩形薄壁墩，墩身顺桥向宽度8.0 m，壁厚1.2 m，内外壁为直坡变化;墩顶横桥向宽度7.5 m，壁厚为1.2 m，墩身横桥向外侧按40∶1、内侧按60∶1的坡度变化，墩底横桥向宽度10.0 m。

2 庄科咀大桥动力特性分析

2.1 结构有限元模型的建立

用M idas程序建立有限元分析模型，全桥共划分为1 437个节点和1 401个单元。模型中主梁和桥墩均采用三维空间梁单元模拟。墩底考虑桩基础和地基对结构的作用，桩基础的模拟采用了简化处理。

2.2 自振特性分析

该桥自振特性计算如表1所示。

表1 庄科咀大桥自振特性

2.3 动力特性分析

从本桥前五阶振动频率和振型可以看出，梁的竖向、纵向振动和横向弯曲振动交替出现，说明箱梁结构的梁高取值、横截面设计、顶底板厚度和桥墩的截面形式等都较为合理，全桥的扭转振动出现得比较晚，证明了箱形梁抗扭刚度大的特点。

3 庄科咀大桥多遇地震抗震性能分析

对庄科咀大桥进行多遇地震下的反应谱分析，采用SRSS方法组合来分别计算顺桥向及横桥向地震反应。

3.1 反应谱分析结果

多遇地震下各墩墩顶、墩底截面的顺桥向结构内力见表2。

由分析结果可知:

1)无论顺桥向还是横桥向，墩顶最大位移都发生在1#刚构墩墩顶处。在横桥向作用下，1#刚构墩的墩顶位移约是2#墩的2倍，可见刚构墩伴随着墩高的增大，横桥向墩顶位移也在增大。

表2 多遇地震下顺桥向结构内力

2)无论是在顺桥向和横桥向地震作用下，1#刚构墩由于墩高的原因，弯矩和剪力还有位移都比较大，因此刚构墩为最不利墩，在进行设计时应该充分考虑到这一点。

3.2 弹性验算

根据《铁路工程抗震设计规范》(GB 50111—2006)的要求:在多遇地震下，结构能够达到“小震不坏”水准，即地震后不损坏或轻微损坏，能够保持其正常使用功能。本文对钢筋混凝土桥墩进行了多遇地震下的抗震安全性验算。

按照现行规范，对每个桥墩按照顺桥向和横桥向进行偏心验算。1#桥墩的偏心验算结果见表3。

表3 1#桥墩的偏心验算

4 庄科咀大桥罕遇地震抗震性能分析

4.1 弹塑性时程反应计算及结果分析

本文采用桥梁专用有限元软件Midas/Civil建立模型，对桥墩进行弹塑性时程反应分析。选择地震动时程时，根据桥址的场地特征周期及持续时间，利用M idas Building自带的选波工具，选择了三条国内外常用的强震记录James_v-0.39 s-0.24g，Taft_v-0.35 s-0.1g及James_t-0.45 s-0.5g。在输入地震波加速度时，考虑到此桥的重要性，将各记录的峰值进行了调整。弹塑性时程计算结果见表4。James_v波和Taft_v波作用下塑性铰区域弯矩—曲率滞回曲线见图2和图3。

表4 弹塑性时程分析结果

在罕遇地震作用下，按照选定的三条波对该桥进行非线性时程反应分析，由计算结果可见:

顺桥向:在James_v波作用下，1#墩墩顶截面进入屈服阶段，为屈服未破坏，弯矩—曲率滞回曲线比较扁平，说明刚刚进入屈服状态;1#墩墩底截面进入屈服阶段，为屈服未破坏。在Taft_v波作用下，1#墩墩顶截面在弹性范围内工作，未进入塑性阶段;1#墩墩底截面进入开裂阶段，为开裂未屈服。在James_t波作用下1#墩墩顶截面在弹性范围内工作，未进入塑性阶段;1#墩墩底截面进入开裂阶段，为开裂未屈服。

横桥向:在James_v波作用下，1#墩墩顶截面在弹性范围内工作，未进入塑性阶段;1#墩墩底截面进入屈服阶段，为屈服未破坏。在Taft_v波作用下，1#墩墩顶截面在弹性范围内工作，未进入塑性阶段;1#墩墩底截面进入开裂阶段，为开裂未屈服。在James_t波作用下1#墩墩顶截面在弹性范围内工作，未进入塑性阶段;1#墩墩底截面进入开裂阶段，为开裂未屈服。

4.2 位移反应验算

根据截面弯矩—曲率关系表墩底屈服弯矩为1.091×106kN·m，反算出对应墩顶顺桥向的屈服位移为0.127 m。James_v波作用下的非线性位移延性比=0.159/0.127=1.252，Taft_v波作用下的非线性位移延性比=0.109/0.127=0.858，Taft_v波作用下的非线性位移延性比=0.051/0.127=0.858，均满足规范“非线性位移延性比＜4.8”的要求。

图2 James_v波作用下截面弯矩—曲率滞回曲线

图3 Taft_v波作用下截面弯矩—曲率滞回曲线

5 结论

本文以庄科咀大桥为工程背景，运用M idas/Civil软件建模进行结构的自振特性分析，并按照有车、无车两种工况对桥梁结构进行了多遇地震下的反应谱分析。最后按照规范要求对桥墩进行了多遇地震下桥墩的抗震验算，验算结果均满足规范“小震不坏”的要求。

对庄科咀大桥进行弹塑性时程分析计算，按桥址区的场地特征周期选定了三条地震波进行弹塑性时程分析。顺桥向，刚构墩墩顶截面均进入开裂阶段，墩底截面进入屈服阶段;横桥向，墩顶截面在弹性范围内工作，墩底截面进入屈服阶段未破坏。桥墩无破坏现象发生，满足规范“大震不倒”的要求。在以后设计类似桥梁时，应该加强塑性铰区域的钢筋设置，利用塑性铰产生的塑性变形耗能，减轻结构的地震响应。

［1］朱伯龙，屠成松，许哲明，等.工程结构抗震设计原理［M］.上海:上海科学技术出版社，1982.

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［5］李登科.高墩大跨铁路桥梁动力特性分析［J］.铁道建筑，2012(7):20-22.

［6］李林.罕遇地震下空心墩薄壁高墩大跨T形刚构桥弹塑性地震反应分析［J］.地震工程学报，2013(1):56-61.

(责任审编赵其文)

U448.23+1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.04

1003-1995(2015)06-0014-03

2015-01-19;

2015-03-16

白骥为(1984—)，男，甘肃陇西人，工程师。