上跨高速铁路T 型刚构桥梁的抗震设计

冯俊迎

（中铁七局集团有限公司勘测设计研究院）

0 引言

随着我国交通网络的日益密集，新建道路与既有高速铁路交叉工程越来越多。采用T 型刚构转体桥上跨铁路的方案既可以保证铁路的运营安全，又能够保证项目的顺利实施，已成为涉铁节点工程的常用方案。

我国是一个多地震国家，多层立交结构的抗震设防问题近些年来越来越受到业界的重视。我国现行《铁路工程抗震设计规范》和《公路工程抗震规范》均指出上层桥梁结构的抗震设防标准不应低于下线工程的抗震设防要求[1-2]；《高速铁路设计规范》规定抗震设防类别应按不低于公路（城市）桥梁抗震设计规定的B（乙）类采用，并满足《铁路工程抗震设计规范》的相关要求[3]。该类涉铁工程上下层结构物分属不同抗震类别体系，《铁路工程抗震设计规范》分别规定了铁路工程构筑物应达到3个性能标准，以及对应的构筑物设防目标和分析方法，属于“三水准设防，三阶段设计”，但该规范内容庞杂，对桥梁抗震设计针对性、可操作性不强；《公路桥梁抗震细则》分别给出了两个等级的地震动参数：E1 地震作用和E2 地震作用，进行两个阶段的地震设计，属于“双水准设防，两阶段设计”，能够体现基于性能的抗震设计理念，具有可操作性[4-5]。基于该类工程的特殊性和抗震设计规范的现状，对于公跨铁立交桥的抗震设计本文将以《公路桥梁抗震细则》为主要依据，其抗震设防目标不应低于《铁路工程抗震设计规范》的要求，探讨该类桥梁抗震设防标准，并进行抗震验算，为工程实例提供参考[6]。

1 工程概况

某高速公路上跨京广高铁，该地区抗震设防烈度7度，地震动加速度峰值0.1g，Ⅱ类场地。本桥采用2×90m 现浇预应力钢筋混凝土T 构，墩梁固结，分幅布置为2×15.6m，两幅间净距0.5m。为顺利实施转体，跨线桥左右幅转体主墩错幅布置于京广高铁两侧，桥梁平面线形位于直线上。桥位处京广高铁桥的标准跨径为32.0m。

图1 桥型布置图 （单位：cm）

图2 桥梁标准横断面图 （单位：cm）

主桥箱梁采用单箱双室、直腹板，箱梁根部梁高9.5m，边跨梁高3.0m。单幅箱梁顶宽15.6m，底板宽9.6m，悬臂长为3.0m。梁高从距墩中心3.75m 处到合龙段处按2.0 次抛物线变化，箱梁在主墩顶0 号块梁段设2 道1.5m 厚横隔板，端横梁厚2.0m。箱梁采用三向预应力体系，C55 混凝土。主桥连接墩处支座采用GPZ-7000-D/SX-0.1g 系列盆式橡胶支座，引桥部分采用普通板式橡胶支座。

下部结构主墩采用矩形空心薄壁墩，墩身横桥向宽度与主梁箱底同宽9.6m，顺桥向宽6.5m，壁厚1.5m，墩身采用C40 混凝土。主墩与梁体固结，底部与转体结构的上转盘固结。转体结构高3.9m，采用C40 混凝土，平面尺寸为10.5×10.5m。主墩承台采用C40 混凝土，高度4.0m，平面尺寸14.1×14.1m。桩基采用4×4=16 根钻孔灌注桩，间距3.7m，直径1.8m，C35 混凝土。

过渡墩采用带高低盖梁的矩形墩，盖梁长12.9m，宽、高均为2.6m，上台阶高1.4m，宽1.05m；墩身顺桥向宽度2.0m，横桥向宽度6.3m；承台厚度为3.0m，平面尺寸为8.4×7.2m，下设2×2=4 根直径2.0m 的钻孔灌注桩，桩基顺桥向间距4.0m，横桥向间距5.2m；墩身、盖梁及承台均采用C40 混凝土，基础采用C35 混凝土。

2 抗震设防目标确定

《铁路工程抗震设计规范》规定多遇地震、设防地震及罕遇地震作用下地震动峰值加速度分别取0.33Ag、1.0Ag、2.1Ag。该规范地震动参数的选取与《建筑抗震设计规范》相当，对应重现期分别为50 年、475 年和1600年～2400 年[7]。《公路桥梁抗震细则》中E1 和E2 地震作用的重现期分别为475 年和2000 年。因此，E1 地震作用与设防地震相当，E2 地震作用与罕遇地震相当。

根据《铁路工程抗震设计规范》京广高铁桥梁标准跨径32.0m 的普通桥梁，墩高小于30m，工程类别属C类。按《铁路工程抗震设计规范》要求该上跨公路桥应提高一级按B 类桥梁进行抗震设防，B 类铁路桥应满足的抗震设防目标，见表1。根据《公路桥梁抗震细则》该桥为单孔跨径不超过150m 的高速公路大桥，抗震设防类别属于B 类，其设防目标，见表1。

通过表1 对不同抗震规范对该桥梁抗震设防目标的要求，得出公路桥梁抗震设防要求高于铁路桥梁。因此，该桥梁的抗震设计按《公路桥梁抗震细则》中B 类桥进行抗震设计能够满足《铁路工程抗震设计规范》的相关规定，这与《高速铁路设计规范》对于公路上跨桥梁的抗震设防要求相吻合。

表1 铁路和公路桥梁工程抗震设防目标对比分析

3 抗震验算

3.1 计算模型建立

采用MIDAS Civil 有限元分析软件建立全桥空间动力计算模型，如图3。梁体、盖梁、墩柱等主要受力构件采用空间杆系单元模拟，质量采用集中质量代表，结构阻尼比取0.05。主桥两端各取一跨30m 引桥作为边界联考虑相邻结构的影响。采用等代土弹簧模拟桩土相互作用，土弹簧的刚度采用m 法计算，取2.5 倍静力计算值考虑动力效应。盆式橡胶支座采用对角线等效刚度模拟，板式橡胶支座根据相关产品说明计算其刚度。

图3 有限元分析模型

3.2 桥梁动力特性分析

通过对该桥梁动力特性分析表明：该桥前几阶振形性态比较单一，均以整体振型为主，互不耦合；前5 阶振形中有3 阶为主梁平面振动，主梁的竖向振动出现的相对滞后，表明主梁的横向刚度相对较弱，基本上符合T型刚构梁桥的振动规律。

表2 桥梁自振特性参数

3.3 地震作用下强度和变形验算

该桥为规则桥梁，B 类，采用多振形反应谱法进行计算，考虑顺桥向X 和横桥向Y 分别进行E1 和E2 地震作用下桥梁结构的验算。该桥主墩与上部梁体固结，桥墩刚度较大，承担了大部分地震力，根据以往的震害调查分析表明，桥梁结构中桥墩和支座最容易出现病害。本文将对桥墩和支座的验算为重点，桩基、盖梁、承台等部位均能满足规范要求，不再一一赘述。地震组合及组合系数，见表3。

图4 主桥前5 阶振形图

表3 地震组合及组合系数

3.3.1 E1 地震作用考虑E1 地震组合，按现行的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》相关规定验算桥墩强度。以压杆稳定理论为基础，对T 型刚构桥进行屈曲分析，通过欧拉公式反求出桥墩顺桥向和横桥向的计算长度系数分别为1.31、1.86，计算长度分别为21.62m、30.69m。由表4～表6 可知：在E1 地震作用下主墩横桥向、顺桥向抗压、压弯及抗剪强度均满足规范要求[8]。

表4 E1地震作用下主墩顺桥向特征断面抗压、抗弯强度验算

表5 E1地震作用下主墩横桥向特征断面抗压、抗弯强度验算

表6 E1地震作用下主墩特征断面抗剪强度验算

3.3.2 E2 地震作用

⑴主墩弯矩-曲率分析

主墩采用矩形空心薄壁墩身，钢筋配置采用HRB400 钢筋，纵筋直径32mm，间距100mm，沿空心墩内外圈均匀分布；箍筋直径16mm，纵桥向和横桥向肢距均为300mm，墩顶和墩底箍筋加密，加密段间距100mm，全高加密。混凝土采用Mander 本构模型，将混凝土分为约束和非约束混凝土，钢筋采用Menegotto-Pinto 本构模型。经分析，墩底截面的轴向力设计值为136400kN，采用数值积分法进行截面弯矩-曲率分析，得到墩底截面的弯矩-曲率曲线，如图5 所示，对应数据见表7。

⑵主墩变形验算

图5 墩底断面弯矩曲率曲线

表7 墩底截面特征弯矩曲率

由于主墩在顺桥向和横桥向的高宽比分别为3.33和3.20，均大于2.5。根据抗震细则的规定：E2 地震作用下，该主墩应进行桥墩的变形验算。鉴于该桥为规则桥梁，可按抗震细则7.4.6 的规定对墩顶位移进行验算。

根据主墩在E2 地震作用下的最不利弯矩与等效抗弯屈服弯矩（Meq）进行比较，判断桥墩是否进入塑性状态，见表8。由表8 可知，E2 作用下地震反应（M）均小于等效抗弯屈服弯矩（Meq），顺桥向和横桥向主墩仍在弹性范围。因此，主墩有效截面抗弯刚度无需折减，仍按毛截面计算。

表8 E2 地震作用下主墩底弹性状态判断

通过计算得到纵横向等效塑性铰长度均为Lp=160.2cm。由表9 得出，E2 地震作用下墩顶顺桥向和横桥向的位移均满足规范要求。

表9 E2 地震作用下墩顶位移的验算

⑶主墩特征断面抗剪强度验算

T 型刚构桥墩柱的端部区域为塑性铰区，其设计剪力值按能力保护原则进行计算，因墩柱在E2 地震作用下未进入塑性工作范围，其剪力设计值（Vc0）取E2 地震作用结果。按抗震细则规定对斜截面抗剪强度进行验算，满足规范要求，见表10。

表10 E2 地震作用下主墩特征断面抗剪强度验算

⑷支座验算

考虑E2 地震组合下对顺桥向的支座滑动水平位移进行验算，见表11。

表11 E2 地震作用下盆式支座验算

4 结论

本文通过对我国现行公路、铁路桥梁抗震设防标准的分析，明确了公路桥梁上跨铁路的抗震设防目标；通过实例分析为同类工程的抗震设计提供了参考。

⑴公路桥梁上跨铁路时，不仅需满足线下铁路对于上跨结构物的抗震设防要求，同时也需公路桥梁自身的抗震要求。对于实际工程中线下工程及上跨桥设防类别均对设防目标有较大影响，应结合铁路、公路抗震设防要求选用合理抗震设防目标，确保立交桥抗震满足规范要求。

⑵在交叉节点位置的选择时，应避开设防类别较高的铁路段，避免上跨桥设防目标较高，付出较大的经济代价。

⑶通过对该T 型刚构桥动力特性分析、E1 和E2 地震作用下的验算，表明该类桥梁具有良好的抗震性能。