铁路高墩大跨T构桥梁抗震性能分析

中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司，重庆 400023

由于T构桥梁主墩无支座便于后期维护，跨径布置灵活适合山区沟谷地形，故在铁路桥梁工程中多有应用。随着我国铁路建设的迅猛发展，T构桥跨度及墩高也越来越大。许多研究人员已开展了相关研究工作，但主要集中在参数比选及静力计算方面，关于T构墩抗震计算的研究整体偏少[1-2]。目前部分研究主要针对矮墩T构及T构连续梁[3-4]，对高墩大跨T构的抗震分析仍较少，因此有必要对铁路高墩大跨T构抗震性能进行研究。

1 工程概况

文章以某铁路（2×120）m T构为分析对象。其梁体采用单箱单室变高度截面，主墩及大里程交接墩均采用空心墩，小里程侧接桥台。梁体设计二期恒载为120kN/m，主墩高99m，大里程交接墩高24m，主墩顺桥向均为11m，横桥向采用1∶20放坡。

2 有限元模型及自振特性

利用Midas/civil建立主桥空间梁单元计算模型，全桥计算模型见图1。采用空间梁单元模拟梁部及桥墩，通过刚臂模拟墩梁连接，通过弹性连接模拟边支座，主墩底部桩基约束刚度通过节点弹性支承模拟，桩基约束刚度通过M法计算得到。主梁采用C55混凝土，桥墩采用C40混凝土。

图1 全桥计算模型

桥梁自振特性反应结构整体刚度，直接决定了结构在地震荷载下的受力大小，同时反应谱分析也需要自振特性分析明确地震激励下的主要阵型，确定反应谱分析时所需的阵型数量。文章利用子空间迭代法对结构的自振特性进行分析，自振特性见表1，阵型见图2。

表1 自振特性

图2 （2×120）m T构主要阵型

根据自振特性分析，前25阶次阵型水平方向的参与质量达到整个结构质量的98%，满足反应谱分析要求。

3 地震作用分析

依据《铁路工程抗震设计规范》（GB 50111—2006），采用三水准设防，抗震设防目标及分析方法见表2。

表2 抗震设防目标及分析方法

多遇地震及设计地震需与恒载及活载组合，其中横向地震作用下需要考虑50%活载引起的地震力，作用于轨顶以上2m位置，纵向地震作用时可忽略活载地震力；罕遇地震时仅考虑恒载与地震力组合。

3.1 反应谱分析

依据《铁路工程抗震设计规范》（GB 50111—2006），多遇地震及设计地震采用反应谱法进行分析，多遇地震及设计地震反应谱采用安评报告中提供的数据，反应谱设计参数见表3，反应谱计算公式如下：

表3 多遇地震及设计地震反应谱参数（阻尼比值为5%）

式中：T为反应谱周期；Amax为峰值加速度；T0、Tg均为反应谱拐点周期；Sa(T)为周期为T时的反应谱值；βm为相对反应谱最大值；C为衰减指数。

反应谱分析保守取前100阶阵型进行计算，为考虑阵型耦合的影响文章选择CQC方法进行模态组合。主墩设置两层直径为32mm的HRB400钢筋，间距为12.5cm时，计算结果见表4～表6。

表4 多遇地震主墩检算结果 单位：MPa

表5 横向设计地震支座检算 单位：kN

表6 纵向设计地震支座检算 单位：mm

综上，该桥在多遇地震作用下结构受力满足规范要求，不控制设计；横向设计地震作用下支座横向设计承载力满足规范要求；顺桥向设计地震作用下支座纵向活动能力及梁缝值均能适应地震作用引起的纵向位移，但富余量较小，若地震时的系统温度与合龙温度有差异则可能引起顶梁，故建议梁端设置宜损坏的纵向限位挡块来吸收地震能力[5]。

3.2 时程分析

考虑到该桥为铁路高墩大跨T构，后期维修难度较大，养护成本较高，故罕遇地震作用下结构宜基本处于弹性范围内，且规范中位移延性比仅适用规则桥墩，对于高墩并不适用[6]。

罕遇地震时程数据见图3，提取墩顶、墩底最不利时刻的轴力、弯矩，对检算截面进行M-φ曲线分析，判断截面是否进入塑性，检算结果见表7、表8。

表7 罕遇地震桥墩弯矩检算

表8 罕遇地震桥墩剪力检算

图3 罕遇地震人工时程

综上所述，该桥在罕遇地震作用下桥墩在各个方向上的抗剪均处于弹性阶段，罕遇地震作用下结构不会发生脆性破坏；在顺桥罕遇地震作用下，墩顶截面进入塑性，墩底截面仍在弹性范围，由于该桥主墩高达99m，养护条件困难、加固成本较高，故可通过抗震结果反向指导墩顶截面的配筋，通过增加适量的墩顶截面钢筋使其维持弹性状态。根据《铁路工程抗震设计规范》（GB 50111—2006）的要求，梁端还应设置防落梁装置，桥台控制锥坡坡度，加强桩基、承台配筋。

4 结论

（1）由于不在地震高烈度区域，多遇地震并不控制高墩结构设计。在设计地震作用下，铁路高墩大跨T构桥的横桥向剪力较大，应提高支座吨位或进行特殊设计；铁路高墩大跨T构桥的纵向位移较大，梁端应采取措施吸收地震能量。

（2）由于剪切破坏为脆性破坏，罕遇地震作用下铁路高墩大跨T构桥的主墩必须具有足够的抗剪承载力；对于高墩大跨及修复难度大的结构，罕遇地震作用下主体结构应（基本）保持弹性。

（3）罕遇地震作用下，可通过加强钢筋、调整截面以及增设阻尼器等方式使主墩保持在弹性状态；若桥址位于高烈度地区，建议调整线路线形，控制桥梁高度，减小桥梁跨度。