铁路大跨度中承式钢管混凝土拱桥抗震设计.pdf

年 月第 期（总）铁 道 工 程 学 报 （）收稿日期：基金项目：中国铁路总公司科技研究开发重大课题（）；中国中铁股份公司重大课题（重大）；中国中铁股份公司重点课题（重点）作者简介：戴胜勇，年出生，男，教授级高级工程师。文章编号：（）铁路大跨度中承式钢管混凝土拱桥抗震设计戴胜勇张敏陈克坚刘名君（中铁二院工程集团有限责任公司，成都）摘要：研究目的：大跨度钢管混凝土拱桥具有良好的跨越能力，近年来在公路、铁路等交通领域得到了较好的发展和应用，但在 度及以上高烈度地震区尚未有成功建设的案例，其抗震性能及措施尚有待研究。本文以拉林铁路藏木雅鲁藏布江大桥（以下简称藏木大桥）为背景，制定合理的抗震设防标准及性能指标，根据大跨度桥梁抗震概念设计原则，确定抗震设计方案，建立数值模型，开展非线性时程分析，研究铁路大跨度中承式钢管混凝土拱桥抗震性能和合理减隔震措施。研究结论：（）大跨度中承式钢管混凝土拱桥采用一联连续的窄幅主梁、减重、综合减隔震措施等减隔震方案，能有效降低结构地震内力，控制罕遇地震工况下位移；（）研究成果表明大跨度中承式钢管混凝土拱桥当采用合理的结构和减隔震措施后具有较好的抗震性能，在 度高烈度地震区主体结构在罕遇地震作用下也能保持基本弹性，具有良好的技术、经济性能；（）本研究成果可为高烈度地震区铁路大跨度钢管混凝凝土拱桥设计提供参考和借鉴。关键词：铁路桥梁；中承式钢管混凝土拱桥；抗震设计中图分类号：文献标识码：，（，）：，：（），（），（）：；（）；工程概况藏木大桥位于西藏自治区桑加峡谷内，桥址位于八度地震区，设计地震动峰值加速度 ，对应特征周期为 。桥梁采用 中承式钢管混凝土拱桥跨越雅鲁藏布江，梁体为一联 跨预应力混凝土连续梁，孔跨布置为（）。藏木特大桥 中承式钢管混凝土拱桥总布置如图 所示。79JNF/U%,图 藏木特大桥 中承式钢管混凝土拱桥总布置图（单位：）主拱跨径 ，矢高 ，矢跨比为 ，拱轴线采用悬链线，拱轴系数为 ，拱肋采用提篮拱结构，拱肋倾角 。拱肋中心距为 。拱肋采用四肢全桁式截面，宽 ，拱顶及拱脚桁高分别为 和 。拱肋钢管采用变管径设计，拱脚段钢管直径，其余钢管直径 ，钢管壁厚 ，腹杆采用 形及箱形杆件，与主拱钢管对拼式螺栓连接。主钢管材质为，其余拱肋材质均为；吊杆采用环氧涂层夹片式钢绞线吊杆，梁体采用单箱双室混凝土箱梁截面，梁高 。抗震设防标准及性能指标 抗震设防标准藏木大桥为跨越大江，且有着技术复杂、修复困难的特殊结构桥梁，鉴于本桥在路网中的重要性及震后难以修复，需采用较高的抗震设防标准。本桥通过调整地震重现期来体现不同工程的设防等级，并采用功能评价地震动和安全评价地震动两水准设计。水准：重现期 年（与桥梁的设计使用寿命相当，重要性系数 ），年超越概率 。水准：重现期 年，年超越概率。抗震性能目标水准（功能性评价地震动）时达到性能要求，水准（安全性评价地震动）对应性能要求。各构件的抗震验算是实现铁路大跨度中承式钢管混凝土拱桥的总体性能目标途径。本桥两水准设防性能目标如表 所示。表 藏木大桥抗震性能目标抗震设防水准功能性评价总体性能目标各构件性能目标水准：重现期 年，年超越概率 震后不经修复保持完全通行能力整体只发生轻微损伤主拱：无损伤横撑及横梁：无损伤吊杆与桥面连接处：无损伤支座：无损伤拱座及基础：无变位、无损伤梁端伸缝缝：允许破坏第 期戴胜勇 张 敏 陈克坚等：铁路大跨度中承式钢管混凝土拱桥抗震设计续表 藏木大桥抗震性能目标抗震设防水准功能性评价总体性能目标各构件性能目标水准：重现期 年，年超越概率 震后不经修复保持完全通行能力整体只发生可修（恢）复损伤主拱：无损伤拱座及基础：无变位、无损伤横撑及横梁：允许发生可修复损伤或震后可更换吊杆与桥面连接处：可发生可修复损伤支座：允许进入非弹性伸缝缝：允许破坏 减隔震设计方案为了实现本桥在强震中具有较好的抗震性能，根据大跨度桥梁抗震概念设计原则，确定了以下抗震概念设计方案：合理的桥梁结构体系和布置方案采用桥面连续方案将主梁延伸至桥台，主梁与拱之间连接采用纵向漂浮体系，有效降低了主梁地震力对拱肋的影响，通过采用此方案，主梁仅约 纵向水平地震力为拱肋承担，绝大部分纵向水平地震力通过桥台传至地面。综合减重方案高烈度地震区桥梁减震的重点工作之一就是要尽量减轻结构自身重量，从而减小地震响应。本桥首次在钢管混凝土拱桥中采用变管径拱肋设计，主拱管径由拱脚段 减小到 ，有效降低了拱肋钢管混凝土自重，拱肋自重减轻；同时采用吊杆与拱肋非共面设计，与常规平行吊杆方案相比，桥面宽由 减小为 ，梁体重量减轻约。采用组合减隔震措施本桥采用“摩擦摆支座 横桥钢阻尼器 纵桥向粘滞阻尼器”的组合减隔震措施。摩擦摆支座减震、隔震双曲面球形减隔震支座可大幅降低墩顶的水平地震力，并能满足桥梁在区域性地质断层带内结构大变位的要求。双曲面球形减隔震支座具有双球面的球体，利用简单的钟摆机理延长桥梁的自振周期，从而降低加速度反应，并通过桥身自重提供所需的自复位能力，帮助桥梁上部结构回到原来的位置，具有完备的减震功能，良好的耐久性能，适合在震区桥梁上使用。本桥主梁为预应力混凝土结构、质量巨大且横向跨中弯矩控制设计，为减少主梁带来的惯性力及解决主梁横向抗震设计问题，采用摩擦摆支座减、隔震。地震中摩擦摆支座的恢复力模型可简化成图 所示的双线性滞回模型。摩擦摆支座的曲率半径 时，摩擦摆支座的摆动刚度：。取滑动摩擦系数 ，则摩擦力 。fdDyKL/DKifpsKKeffFW图 摩擦摆支座的滞回模型全桥支座数量及其布置如表 所示。表 支座设置汇总表位置数量有效作用方向恒载重 （）号台横桥向 号墩横桥向 拉萨侧横梁横桥向 林芝侧横梁横桥向 号墩横桥向 号台横桥向 钢阻尼器横向限位摩擦摆支座隔震时，在罕遇地震作用下横桥向支座会产生较大的位移。横桥向位移过大，会造成铁路桥面系较大的损伤，因此横桥向采用具有耗能作用的软钢阻尼器限位。非线性计算中一般采用理想双线性模型来模拟弹塑性钢阻尼器的滞回关系，如图 所示。/FZ图 钢阻尼器的滞回模型铁 道 工 程 学 报 年 月荷载位移关系主要由阻尼器的屈服荷载、极限荷载 及二者相对应的位移来共同确定，其中选择合适的阻尼器屈服荷载 和极限位移 是结构减震设计的关键。阻尼器荷载 位移关系仅由屈服荷载参数唯一确定，参数设计中只需要选择合适的屈服荷载，并验算其位移需求即可。本桥中屈服位移 取，为弹性刚度，为屈服后刚度，取。全桥弹塑性钢阻尼器数量及其布置如表 所示。表 全桥弹塑性阻尼器设置汇总表屈服荷载 有效作用方向位置数量 初始间隙横桥向 号台 横桥向 号墩 横桥向拉萨侧横梁 横桥向林芝侧横梁 横桥向 号墩 横桥向 号台 粘滞阻尼器顺桥向限位摩擦摆支座隔震时，在罕遇地震作用下顺桥向支座也会产生较大的位移。顺桥向采用粘滞阻尼器限位。粘滞阻尼器用 模型模拟，其力学表达式为 （）（）式中，弹簧和阻尼器活塞运动的位移；弹簧刚度；阻尼器活塞运动的变形速率。弹簧位移及刚度表示阻尼器的变形及刚度。粘滞阻尼器减震分析时取 ，忽略阻尼器自身弹性变形的影响。粘滞阻尼器的阻尼力与速度相关，温度变化、收缩、徐变等低速荷载时阻尼力较小，地震等高速荷载时起耗能作用。当阻尼指数 时，其滞回曲线为椭圆形，在结构达到最大变形时，粘滞阻尼器的阻尼力最小；在速度最大时，阻尼力达到最大，而此时变形最小，其内力也最小。因此，粘滞阻尼器不会显著增加桥墩的受力。全桥粘滞阻尼器数量及其布置如表 所示。表 全桥阻尼支座设置汇总表最大承载力 阻尼常数（）阻尼指数 有效作用方向位 置数量 顺桥向 号台 顺桥向 号墩 顺桥向 拉萨侧横梁 顺桥向 林芝侧横梁 顺桥向 号墩 顺桥向 号台 地震反应分析（罕遇地震下）输入地震动地震动输入分别按顺 竖与横 竖同时输入，竖向加速度取水平向的。时程反应分析时输入 条安评地震动，其中第 条安评地震动如图 所示。05时间/s101520253035404003002001000-100-200-300-400加速度/g图 第 条安评地震动 横桥向地震反应罕遇地震作用下典型的时程曲线如图、图 所示。DL/KTXBWFUXBWFUXBWFU图 号拱脚的轴力时程曲线-UL/eN UKTXBWFUXBWFUXBWFU图 跨中主梁横桥向弯矩时程曲线 主梁和拱肋减隔震效果分析主梁减隔震效果分析如表 所示。拱肋减隔震效第 期戴胜勇 张 敏 陈克坚等：铁路大跨度中承式钢管混凝土拱桥抗震设计果分析如表 所示。表 主梁（横 竖）输入时的时程地震力项 目主梁跨中横桥向弯矩（）第 条波第 条波第 条波最大值非隔震方案 减隔震方案 减隔震率 表 拱肋（横 竖）输入时的时程地震力项目 号拱脚横向弯矩（）第 条波 第 条波 第 条波最大值上弦普通方案 减隔震方案 减隔震率 下弦普通方案 减隔震方案 减隔震率 计算表明：通过采用减隔震方案，梁体最大减震率，拱肋最大减震率，有效降低了结构地震内力。通过在横桥向采用软钢阻尼器、纵桥向采用液压阻尼器进行耗能限位，水准下梁体最大纵向位移 ，最大横向位移 ，有效控制了罕遇地震工况下纵横向位移，在保证结构安全的同时，减小了罕遇地震工况下桥梁主体及桥面系损伤。抗震性能验算 抗震性能验算方法罕遇地震作用下拱肋顺、横桥向的地震内力相对于恒载内力所占比例较大，需要考虑顺、横桥向的耦合效应。拱肋在地震中的性能状态采用 建议的 三维空间屈服面来验算。抗震水准，取截面的初始屈服弯矩进行验算。采用材料的容许应力计算初始屈服弯矩，截面的弯矩小于初始屈服弯矩时对应：截面的最不利应力未超过容许应力。屈服弯矩计算时 核心混凝土的容许应力取 ，钢管材料的容许应力取 。抗震水准，取截面的等效屈服弯矩进行验算。钢管取材料的屈服强度，核心混凝土强度的提高系数取 ，即抗震验算时 核心混凝土的极限抗压强度取 。钢管混凝土截面的等效屈服弯矩对应：截面的最不利钢管应力超过屈服应力发生屈服，但大部分钢管未发生屈服，截面未发生严重屈服，整体处于弹性状态。当截面的地震弯矩小于等效屈服弯矩时，可以说截面处于基本弹性状态，即截面总体上仍表现为弹性性能。抗震验算取恒载内力与地震内力组合进行抗震验算。经验算，在抗震水准下拱肋截面、腹杆、吊杆未发生严重屈服，处于基本弹性状态，本桥整体只发生可修（恢）复损伤，震后不经修复保持完全通行能力。结论（）大跨度中承式钢管混凝土拱桥采用功能评价地震动和安全评价地震动两水准，划分主次构件，制定各构件的抗震性能目标，从而实现本桥的总体性能目标。既保证了桥梁具有较好的抗震性能，又具有较好的经济性。（）大跨度中承式钢管混凝土拱桥采用一联连续的窄幅主梁、减重、设置综合减隔震措施等减隔震方案，有效降低了结构地震内力，并控制了罕遇地震工况下梁体纵横向位移，在保证结构安全的同时，又减小了罕遇地震工况下桥梁主体及桥面系损伤。（）大跨度中承式钢管混凝土拱桥抗震设计能实现设计地震下结构处于弹性工作状态，震后不经修复保持完全通行能力，罕遇地震下主体结构处于基本弹性状态，震后不经修复保持完全通行能力。藏木大桥的设计和建造证明钢管混凝土拱桥具有较大的跨越能力和抗震性能，具有较好的应用前景。参考文献：夏修身，戴胜勇，陈兴冲，等 川藏铁路大跨度桥梁抗震设防标准研究 铁道学报，（）：，（）：夏修身，戴胜勇 大跨度桥梁抗震设计理论与方法北京：科学出版社，：，王占飞，赵柏冬，隋伟宁，等 桥梁抗震设计 北京：中国水利水电出版社，：，夏修身，戴胜勇，刘尊稳 大跨度拱桥抗震概念设计方法 地震工程与工程振动，（）：（下转第 页 ）铁 道 工 程 学 报 年 月 ，（）：刘洋 接触网工程计算系统的适应性研究 铁道工程学报，（）：，（）：，铁路电力牵引供电设计规范，吴文江，李响，高占凤，等 基于有限元法的高速铁路接触网吊弦动态特性研究 铁道学报，（）：，（）：关金发，田志军，张学武 接触网弹性吊索参数对弓网动态性能影响 西南交通大学学报，（）：，（）：，（编辑 刘会娟）（上接第 页 ），（）：聂晋涛 客运专线桥梁中减隔震技术应用研究 铁道工程学报，（）：，（）：罗登发，郭占元，戴胜勇，等 双曲面球型减隔震支座在铁路桥梁上的应用 高速铁路技术，（）：，（）：陈列，胡京涛，等 桥梁减隔震技术 北京：中国铁道出版社，：，夏修身，崔靓波，陈兴冲，等 长联大跨连续梁桥隔震技术应用研究 桥梁建设，（）：，（）：（编辑 刘会娟）第 期杨 佳 鲁小兵 关金发等：接触网系统导线工作张力选取研究