高烈度震区高速铁路T形刚构桥设计

高烈度震区高速铁路 T形刚构桥设计

张振华

沈阳铁道勘察设计院有限公司，辽宁沈阳 110013

摘要：T形刚构桥凭借其跨越能力大、结构受力合理、墩梁固结无需支座等优点在高速铁路建设中得到了广泛应用。本文以（88+88）m高速铁路T形刚构桥为研究对象，建立了有限元分析模型，对位于高烈度震区的预应力混凝土T形刚构桥开展了结构设计研究，并对主墩进行了弹塑性地震反应分析及延性抗震验算。结果表明：结构整体设计合理，主墩延性抗震性能满足规范要求。

关键词：高速铁路；T形刚构桥；结构设计；延性设计

0引言

T形刚构桥目前是我国高速铁路上常用的几种桥型之一，具有跨越能力大、结构受力合理、墩梁固结无需支座等优点。由于高速铁路具有行车密度大、车辆速度快、造价高等特点，地震作用下，桥梁的破坏不仅会带来巨额的经济损失，同时因交通中断造成的间接经济损失更是巨大。由此可见，对于高烈度震区的高速铁路T形刚构桥，确保其在地震作用下的安全性，具有重要意义。

本文以（88+88）m高速铁路T形刚构桥为研究对象，结合《铁路桥涵设计规范》^[1]、《铁路桥涵混凝土结构设计规范》^[2]及《铁路工程抗震设计规范》^[3]中的设计要求，研究高烈度震区高速铁路T形刚构桥合理的结构尺寸，并对主墩进行了弹塑性地震反应分析和延性抗震验算。

1.工程概况

本桥为新建北京至唐山城际铁路京唐津秦联络线上用于跨越津秦客专而设计，主桥采用（88+88）m的预应力混凝土T形刚构桥。单线，桥梁位于R=1400m曲线上；设计活载采用ZK标准活载；二期恒载采用90kN/m。

2.结构构造分析

2.1梁部构造

梁部直接承受荷载，为结构提供竖向刚度，因此梁部的主要参数是两端部和根部的梁高。根据对T形刚构桥进行受力分析，主梁根部位置会有较大的负弯矩，一般情况下，均需要适当加大梁高。经比选后确定，主梁截面采用单箱单室、变截面直腹板形式。中支点8m等高段，梁高10.5m；边跨6.75m等高段，梁高4.5m。箱梁顶宽7.4m，底宽5.4m，中支点处底部加宽至6.4m。顶板厚度除支点附近外均为0.4m；底板厚由0.4m按二次抛物线变化至根部的1.2m。腹板由0.9m变化至0.7m，再变化至0.55m，按折线变化。全桥在边支点及中支点处共设置4个横隔板，端支点处隔板厚1.5m，中支点处隔板厚1.6m。T构立面布置见图1。

图1 T构立面布置图（单位:cm）

2.2墩身构造

主墩采用矩形空心墩结构，为普通钢筋混凝土结构。桥墩顺桥向顶宽8m，横桥向顶宽6.4m，板厚均为1.6m，横桥向两侧坡率20:1，墩高18m。墩顶隔板0.8m厚，墩底隔板5m厚。主墩截面见图2。

图2 主墩截面（单位:cm）

3.梁部设计分析

为真实模拟桥梁结构的力学特性，采用Midas Civil建立有限元分析模型^[4]。主梁、主墩和边墩均采用空间梁单元模拟，采用自由度耦合的方式模拟主墩、边墩与主梁的连接，采用“墩底六弹簧”模拟桩基础和地基对结构的作用。有限元计算模型见图3。

图3 有限元计算模型

3.1梁部刚度

梁部刚度检算结果见表1、表2。

表1 梁部竖向挠度检算结果

表2 梁端转角检算结果

结果表明：梁部检算的最大挠跨比和最大梁端转角均满足规范限值要求。

3.2梁部应力指标及设计安全系数

梁部应力指标及设计安全系数见表3。

表3 应力指标及设计安全系数

结果表明：梁部检算的应力指标及设计安全系数均满足规范限值要求。

4.高烈度震区桥墩延性设计

根据规范要求，采用弹塑性时程分析法对本桥进行抗震分析。因弹塑性纤维单元能够真实、合理地体现出结构的钢筋和混凝土本身的非线性特征，故本文主墩采用弹塑性纤维梁单元进行模拟。本文从罕遇地震波选取、自振特性分析、桥墩弹塑性地震反应及延性抗震验算四个方面进行深入分析，以保证罕遇地震作用下T形刚构桥的结构安全。

4.1罕遇地震波选取

桥址位于地震基本烈度Ⅷ度区，动峰值加速度A_g=0.20g，地震动反应谱特征周期T_g=0.55s，特征周期分区为二区，场地类别为III类。采用提供的安评报告中的时程波进行分析，地震波加速度时程曲线见图4。

地震波1

地震波2

地震波2

图4 地震波时程曲线

4.2自振特性分析

为了解梁部的刚度变化和变形情况，采用子空间迭代法对本桥进行自振特性分析^[5]。该桥部分模态的自振周期和振型描述见表4，部分振型见图5。

表4 T构自振特性

一阶振型(主墩-梁顺桥向振动)

二阶振型(主梁横桥向振动)

图5 振型图

从本桥的自振频率和振型可以看出：主墩纵摆、主梁竖向反对称振动振型首先出现，该振型对主墩顺桥向地震反应贡献最大；主墩横摆、主梁横向对称振动振型其次出现，该振型对桥墩横桥向地震反应贡献最大。本桥纵向、横向、竖向和扭转振动交替出现，说明箱梁结构横断面、顶底板厚度和桥墩截面的选取都较为合理。

4.3桥墩弹塑性地震反应

在桥梁结构的弹塑性分析中，墩柱截面的非线性特性使用截面的弯矩—曲率关系曲线来描述，同时使用该曲线评价钢筋混凝土截面的抗震性能^[6]。对主墩墩顶及墩底塑性铰截面进行弯矩—曲率分析计算的结果见表5。

表5 截面弯矩—曲率关系

通过提取主墩在罕遇地震作用下的弹塑性反应，与相应截面屈服弯矩进行对比，如图6所示，可知：罕遇地震作用下，主墩墩顶截面处于弹性状态，墩底截面已经进入到塑性状态，混凝土开裂，外侧纵筋屈服，应进一步进行延性比计算。

墩顶截面

墩底截面

图6 主墩截面抗震性能

4.4延性抗震验算

上节计算结果表明：在罕遇地震作用下，T形刚构桥主墩墩底已经进入到屈服阶段。根据规范要求，应再对桥墩进行延性抗震验算。

式中， 表示非线性位移延性比； 表示允许位移延性比，规范限值为4.8； 表示桥墩的非线性响应最大位移； 表示桥墩的屈服位移。罕遇地震作用下主墩的非线性位移延性比计算结果见表6。

表6 T构自振特性

结果表明：T形刚构桥主墩顺桥向塑性延性比最大值为1.56，横桥向塑性延性比最大值为2.56，均满足规范的延性比限值要求。

5.结束语

通过对京唐城际铁路（88+88）m预应力混凝土T形刚构桥的设计，对高速铁路中经常采用的T形刚构桥的结构尺寸、模型建立方法、桥梁弹塑性地震反应分析方法开展深入研究，验证了建模方法的有效性，保证了T形刚构桥主墩在罕遇地震作用下的结构安全。所提出的建模分析方法对同类工程设计提供了有益的参考。

参考文献：

[1]中华人民共和国行业标准. TB10002-2017铁路桥涵设计规范[S]. 北京:中国铁道出版社,2017.

[2]中华人民共和国行业标准. TB 10092-2017铁路桥涵混凝土设计规范[S]. 北京:中国铁道出版社,2017.

[3]中华人民共和国国家标准. GB 50111-2006铁路工程抗震设计规范[S]. 北京:中国计划出版社,2009.

[4]白骥为. 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[J]. 铁道建筑, 2015(6):14~16.

[5]蒋菲. 高烈度震区中低速磁浮交通T形刚构桥设计[J]. 铁道勘察,2016(6):110~113.

[6]李林. 罕遇地震下空心薄壁高墩大跨T形刚构桥弹塑性地震反应分析[J]. 地震工程学报, 2013(3):57~61.

作者简介：（（1992-03）），男，汉族，辽宁省沈阳人，硕士研究生学历，工程师，主要从事桥梁工程设计工作。