高速铁路(100+200+100)m连续梁-拱桥抗震性能分析

张 扬 朱勇战 苏国明

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600)

1 引言

近年来我国发生多起大地震，均给当地交通网络造成不同程度破坏，产生巨大经济损失，而桥梁工程又是交通网络中的重要部分。综合考虑铁路桥梁工程的重要性及修复复杂的现状，针对高烈度地区重要复杂桥梁，设计需要运用减隔震技术，以提高桥梁的抗震能力[1]。结合目前国内大跨度梁拱组合结构桥梁抗震设计、减隔震设计均无规范可循的现状，对其进行抗震性能设计研究尤为重要。文章以徐宿淮盐铁路徐洪河特大桥(100+200+100)m连续梁-拱为研究对象，对其进行动力特性及减隔震设计的分析研究，为高烈度地区类似工程抗震设计提供参考[2-3]。

2 工程概况

徐宿淮盐铁路位于江苏省北部，连接徐州、宿迁、淮安、盐城四市，线路以桥梁形式通过郯庐断裂影响带，徐洪河特大桥位于该地震带处，采用(100+200+100)m连续梁-拱一跨跨越徐沙河，立面布置见图1。主梁采用单箱双室、变高度、变截面预应力混凝土结构，设纵、横、竖三向预应力体系，边跨和跨中直线段处梁高为6.0 m，中支点处梁高12.0 m。拱肋采用钢管混凝土哑铃型结构，计算跨度L＝200 m，设计矢高40.0 m，矢跨比f/L＝1/5。全桥共设置20组双吊杆，顺桥向间距9.0 m。

图1 徐洪河特大桥立面布置(单位：cm)

每个桥墩支点处设置两个支座，边支座吨位12 500 kN，中支座吨位140 000 kN。各墩均采用圆端形实体墩，主墩墩高9.0 m，顺桥向宽6.6 m，横桥向长19.4 m，交接墩墩高10.4 m，墩身顺桥向宽4.5 m，横桥向长15.0 m。基础采用钻孔灌注桩基础，设计为摩擦桩。主墩采用30根2.0 m桩基础，桩长为90 m；交接墩采用15根1.5 m桩基础，桩长为59 m。该桥具有深基坑、超长群桩的特点。

桥址区地质以粉质黏土为主，不良地质主要为饱和粉土、砂类土的地震液化，特殊岩土为软土、松软土，设计过程中必须考虑郯庐断裂带对桥梁工程的影响。根据徐宿淮盐铁路地震安评报告，桥位处场地50年超越概率63.2%(多遇地震)、50年超越概率10%(设计地震)、50年超越概率2%(罕遇地震)三种概率水准的地震动参数取值见表1。

表1 场地水平向设计地震动参数(阻尼比为0.05)

3 动力特性分析

采用大型计算分析软件MIDAS Civil建立空间有限元模型，对全桥进行动力特性及抗震性能分析，全桥共计682个节点，622个单元。动力计算时时主梁、拱肋、墩柱、承台均采用梁单元模拟，吊杆采用桁架单元模拟。计算将相邻孔简支梁的自重、二期恒载以及活载转化为集中质量，施加于相应位置，并将相邻孔简支梁跨在连续梁拱侧纵向全部设为活动支座。在模拟桩-土作用中，将桩基础视为弹性支承，在墩底作用六个方向的弹簧等代群桩作用，六个弹簧刚度分别是三方向的抗推刚度，绕竖轴的抗扭刚度和绕两个水平轴的抗弯刚度，弹簧刚度数值根据“m”法确定[4-6]。计算模型见图2。

图2 主桥空间计算模型

桥梁结构的动力特性是进行其它一切动力分析的基础，其性能取决于桥跨结构的组成体系、各构件刚度、质量分布以及支承条件等因素。分析结构的自振特性是为了预计结构自振频率和估算结构对预期激振的响应，不致产生共振。主桥成桥状态前六阶的动力特性见表2，振型图见图3。

表2 成桥状态结构动力特性

图3 成桥前六阶振型图

本桥前两阶振型均为拱肋横弯，说明本桥横向刚度较小，是地震分析中重要关注点。桥梁基频为0.361 Hz，属于柔性拱桥频率范围，这与本结构强梁弱拱的设计特性一致。主梁在第3阶振型出现纵飘，面外振型出现在面内振型之前，说明本桥面外刚度小于面内刚度。同时由于纵飘的出现，将产生很大的纵向水平力，而连续梁桥的水平力由制动墩承担，所以在抗震设计时制动墩的设计应该做设计的重点加强部位。拱肋在前6阶振型中均为面外振型，可见拱肋的纵向刚度比横向刚度偏大[7]。

4 抗震性能分析

4.1 抗震设防目标及地震波的选择

依据《铁路工程抗震设计规范》(GB 50111-2006)，考虑本桥重要性，在罕遇地震作用下需保持桥梁结构的基本通行功能，并满足“大震不倒”的抗震设防目标，本桥的抗震设防标准按表3取用[8-9]。

表3 结构抗震设防目标

在结构具体计算时取用原则为[10]:

(1)按多遇地震50年超越概率63.2%的地震动参数检算结构物的强度，并考虑重要性系数1.5(水平地震动峰值加速度Amax＝0.096g)。

(2)按照设计地震50年超越概率10%的地震动参数验算上、下部结构连接构造的位移(水平地震动峰值加速度Amax＝0.340g)。

(3)按罕遇地震50年超越概率2%的地震动参数对桥墩基础进行强度验算，按极限强度进行控制设计(水平地震动峰值加速度Amax＝0.580g)。

多遇地震作用下采用反应谱法计算结构响应，设计地震动加速度反应谱计算公式取为:

式中，Amax为设计地震动峰值加速度；β(T)为设计地震动加速度放大系数反应谱；T为反应谱周期；βm为放大系数反应谱最大值；T1为第一拐点周期；Tg为反应谱特征周期。式中各参数的取值按表1取值。

时程分析采用地震安评报告给出的场地设计加速度时程曲线，计算时采用各设防水准的三组时程曲线取其结果的平均值。不同水准情况下时程曲线如图4～图6所示。

图4 多遇地震作用下时程曲线

图5 设计地震作用下时程曲线

图6 罕遇地震作用下时程曲线

4.2 抗震体系比选

连续梁在纵向地震作用下存在固定墩受力过大问题，高烈度地区强制要求大跨度结构桥墩及其基础满足强度要求是不经济的，大跨度桥梁采用延性抗震设计发生的损伤又修复比较困难，而通常使用常规支座无法满足抗震设防要求，采用减隔震设计可有效提供结构优化空间。

目前桥梁工程中常使用的减隔震技术主要分为两类:一是采用减隔震支座延长结构周期，从而减小地震反应；二是采用阻尼器增加结构的阻尼来耗散能量，以减小结构的位移并提高桥墩的抗震性能。结合铁路桥梁的设计特点，本桥考虑采用双曲面球型减隔震支座和液体粘滞阻尼器两种减隔震措施进行比选。

双曲面球型减隔震支座在地震不发生的情况下，其功能与普通球型支座相同，可满足桥梁的正常运行时的位移及承载功能需求。当地震发生后，其限位装置剪断，限位方向约束解除，发生滑动，起到减隔震作用[11]。这类支座通过增设平面摩擦副，使其在正常使用时不发生梁体抬高，地震时具备减隔震功能，同时地震后又具备自复位能力。双曲面球型减隔震支座具有完备的减隔震功能、优异的抗震性能、良好的耐久性能，已用于成兰铁路、宝兰铁路等多个铁路项目中。

液体粘滞阻尼器其功能主要是为结构提供附加刚度和阻尼，减小结构响应，产生的阻尼力与速度和温度有关，安装设置具有方向性，制作加工精度要求高。但其缺少自复位功能，要配合普通大吨位支座使用。液体粘滞阻尼器技术发展已较为成熟，满足工程需要的各种不同参数的阻尼器在国内外的重点桥梁工程中发挥着重要作用，如乌锡黄河铁路大桥、舟山西喉门大桥等工程[12]。

徐洪河特大桥(100+200+100)m连续梁-拱时程分析时双曲面球型减隔震支座通过采用摩擦摆单元模拟，计算时考虑地震作用下活动支座滑动摩擦效应和双曲面减隔震支座的非线性；粘滞阻尼器采用Midas有限元自带的阻尼器单元进行模拟。两者计算参数见表4。

表4 减隔震支座及阻尼器参数

针对本桥的减隔震措施比选制定了两种方案:(1)设置双曲面球型减隔震支座；(2)同时设置双曲面球型减隔震支座与设置粘滞阻尼器。采用上述两种方案分别对本桥进行抗震分析，两方案纵向和横向地震力作用下内力响应结果见表5和表6。

表5 罕遇地震作用下(纵向力)墩底内力响应对比

表6 罕遇地震作用下(横向力)墩底内力响应对比

由以上分析可见，罕遇地震作用下，采用双曲面减隔震支座减隔震效果显著，固定墩剪力减隔震率达72.0%～85.4%，弯矩减隔震率达88.9%～91.1%，采用减隔震支座明显减小了固定墩纵桥向和各墩横桥向地震内力响应，为桥墩和基础的优化设计提供了有利条件。但同时使用减隔震支座和粘滞阻尼器，与单独使用减隔震支座方案相比，不论弯矩还是剪力的减震率并未有效改善。

表7提供了两种减隔震方案在罕遇地震作用下支座位移量，设置阻尼器后支座位移量可以有效控制，但大跨度桥梁采用的阻尼器吨位过大，对阻尼器本身的安全性、可靠性提出更高的要求，并增加后期维修养护工作量及成本。结合本桥抗震设防标准——设计地震下检算支座连接方式，本桥最终选择的减震措施为采用双曲面减隔震支座方案。需要注意的是采用双曲面减隔震支座后，地震力作用下支座滑动位移会变大，设计同时设置了缓冲弹塑性挡块等抗震构造措施来防止碰撞破坏、落梁等地震灾害的发生[13]。

表7 罕遇地震作用下支座位移对比 mm

4.3 各水准下地震响应分析

按照本桥设定的抗震设防目标，以多遇地震下弹性设计，罕遇地震下的基本弹性设计为原则，对桥梁进行各水准作用下的地震响应分析。

多遇地震作用下水平极限承载力的取值与桥梁的抗震设计水准相关，综合考虑基础的设计经济指标，兼顾双曲面减隔震支座剪力梢的更换频率，以及后期维修养护成本，设计采用水平极限承载力0.7倍的多遇地震力，并考虑结构重要性系数1.5。对多遇地震作用下分别采用反应谱法和时程分析法两种计算方法分别计算结构内力响应，内力对比见表8。

表8 多遇地震作用下墩底内力

可见，时程分析与反应谱法的结果差异并不大，差值基本合理，场地地震波取值合理，仅有个别部位差异较大，这是因为时程分析地震波的选取相对具有一定的随机性。运用反应谱分析法可以方便得出结构弹性范围内的最大地震响应值；时程法计算具有针对性，可根据具体场地条件更能真实地反映结构实际受力状态。因此，对大跨度连续梁-拱桥而言，多遇地震作用下的抗震分析可先通过反应谱法进行估算，再采用时程法进行验算。

按照上述内力结果进行验算，多遇地震作用下墩身最大钢筋应力为184.16 MPa，混凝土最大应力为13.16 MPa；桩基础钢筋配筋率取为2.0%，桩基钢筋最大应力为-173.4 MPa，桩基混凝土最大应力为12.4 MPa。结构处于弹性阶段，强度各项指标满足设计要求。

设计地震作用下，对双曲面球型减隔震支座进行位移量分析，各墩顺桥向与横桥向位移均不超过28 cm，满足制定的设防标准位移量要求。

罕遇地震作用下各墩顺桥向和横桥向内力见表9，罕遇地震作用下墩身钢筋最大应力380.02 MPa，混凝土最大应力为11.23 MPa，桩基础钢筋配筋率为2.0%，桩基钢筋最大应力为-335.5 MPa，桩基混凝土最大应力为19.8 MPa。强度各项指标满足钢筋及混凝土材料极限强度要求，符合本桥罕遇地震作用下抗震设防标准要求。

表9 罕遇地震作用下墩身内力响应

5 结束语

针对高烈度震区大跨连续梁拱组合结构固定墩设计困难的问题，对徐洪河特大桥制定了合理可行的设防标准，并对桥梁进行了动力特性分析和减隔震技术方案比选。得出以下结论:

(1)徐洪河特大桥(100+200+100)m连续梁拱组合桥横向刚度较小，属于强梁弱拱结构，主桥面外刚度小于面内刚度，制动墩设计是桥梁设计的重难点。

(2)考虑结构重要性并满足“大震不倒”的抗震设防目标，采用多遇地震下弹性设计，罕遇地震下基本弹性设计，设计地震保证结构连接措施为结构在三水准作用下的抗震设防目标。

(3)对采用双曲面球型减隔震支座、液体粘滞阻尼器+双曲面球型减隔震支座组合两种减隔震方案进行对比分析可知，采用双曲面减隔震支座减震优势明显，阻尼器的设置可有效减小地震力作用下的梁体位移。综合抗震设防标准及后期维修养护成本，最终采用设置双曲面减隔震支座方案进行减震设计。