巨震作用下某高速铁路桥梁抗震性能分析

陈凡丁

(西南交通大学，四川 成都 610031)

随着经济建设的飞速发展、人民生活的进一步改善及城市化进程的全面展开，我国西部地区高速铁路建设得到了迅速发展。桥梁已是构建铁路本体最基本和重要工程结构之一[1]，桥梁技术已是现代高速铁路建设和运营的关键技术之一。其作为高速铁路的重要组成部分，主要功能是为高速列车提供稳定、平顺的桥上线路，以确保列车安全运营和旅客乘坐舒适[2-3]。

当高速铁路桥建设进入持续建设高潮时，地球似乎也进入了一个地震频发的时期，且地震活动常呈现时空分布不均匀特征[4]，如1999年台湾9.21集集地震、2008年5.12汶川8.0级巨震、2009年印尼苏门答腊7.7级地震、2010年海地大震、2010年智利8.8级巨震、2010年青海省玉树7.1级大地震、2011年日本3.11东日本大地震、2013年四川省雅安市芦山县7.0级大地震、2016年新西兰8.0级巨震、2017年墨西哥沿岸近海8.2级强震、2018年阿拉斯加湾8.0级大地震。这些大地震均造成大量建筑物的损坏，其破坏力远大于其它自然灾害。如1976年唐山7.8级大地震，造成24万人直接在地震中死亡，16万人受伤，71座大中型桥梁及160座小型桥梁受损，铁路桥梁占39.3 %。给震后救援重建工作带来了极大的困难，导致更多的生命丧失[2][5]。汶川地震中，四川省内受损的桥梁超过2 000多座，严重破坏者70多座，完全失效者达52座。台湾集集地震震区约有20 %的桥梁受到不同程度损坏，严重破坏者达20多座[6]。

针对巨震作用下桥梁破坏较为严重的问题，本文以某高速铁桥梁为例，对其在巨震作用下的抗震性能进行研究，为高铁建设及桥梁抗震规范修订提供参考。

1 高速铁路桥梁简介

桥梁上部结构形式为(60+100+60) m预应力混凝土连续梁桥(图1)。本桥为双线桥，线间距4.6 m；设计行车速度为250 km/h的客运专线，桥面铺设CRTS III型板式无砟轨道；设计活载采用ZK活载。连续梁起止里程为D2K17+032.35～D2K17+253.7，墩号为12#～15#墩。主跨13#～14#墩跨越既有乐宜高速公路。箱梁为单箱单室、变高度、变截面结构。截面高度4.8～7.8 m，箱梁顶宽12.2 m，底宽6.7 m，梁底按二次抛物线变化。连续梁采用挂篮悬臂施工，0#节段长12 m，直线现浇段长5.75 m，边、中合龙段各长2 m。对称悬臂施工12#节段后，即进行中合龙，之后挂篮施工边跨13节段，再进行全桥边合龙。主梁采用C55混凝土，纵向预应力束采用15-15.2 mm、12-15.2 mm钢绞线，横向预应力束采用4-15.2 mm钢绞线，竖向预应力采用32 mm-PSB830螺纹钢筋。

2 高速铁路桥梁Midas模型简介及验证分析

本桥采用大型有限元软件Midas/Civil进行分析计算，采用梁单元进行三维模拟计算，全桥共80个单元，85个节点(图1)。本桥地质条件较好，且桥墩较矮，刚度大，进行动力分析时本桥对下部结构按固结进行简化计算。根据设计拟定的施工方法、施工工况，按设计及规范对该桥进行静力分析，并与现场实测值进行对比分析，以验证模型的准确性。

图1 全桥有限元模型

本桥节段标高测点布置如图2所示，应力测试断面及测点布置如图3所示。根据本桥目前施工进度，全桥预应力张拉后标高通测理论值与实测值如图4所示，理论值与实测值对比，误差在-16～16 mm之间。个别点位误差14～16 mm主要原因在于悬臂施工期混凝土浇筑桥面不平整，需在后期进行打磨。本桥应力测试工况为节段混凝土浇筑完毕、预应力张拉结束后进行对应断面应力测试。由于测试数据较多和篇幅受限，本文仅给出全桥合龙所有预应力张拉结束后应力值(图5)。

图2 节段标高测点布置

(a) 应力测试点断面布置

(b) 应力测点布置图3 应力测试断面及测点布置

图4 全桥预应力张拉通测理论值与实测值对比

图5 全桥合龙预应力张拉结束应力

从图5可看出实测应力与理论应力变化趋势一致，误差很小，全截面受压；有限元理论计算与实测值吻合，建立的模型合理，精度满足要求。

3 巨震作用下动力时程分析

本文基于商业通用软件Midas，采用汶川和集集地震Ⅺ度Ⅹ度区内的巨震记录(051MZQ，TCU074，TCU078)对该高速铁路桥梁有限元数值模型进行动力时程分析。全桥横向最大位移图、中跨跨中横向位移时程图及全桥最大应力云图分别于图6～图14所示。从图中可以看出，巨震作用下高速铁路桥梁最大节点横向位移为25.28 mm，不会发生落梁现象，基本满足使用要求；但是桥梁受拉区的受拉应力值非常大，表明桥梁受损严重。本文研究可为易发巨震地区的高速铁路桥梁结构设计提供参考。

图6 051MZQ地震波作用下全桥横向最大位移(单位：mm)

图7 051MZQ地震波作用下桥梁中跨跨中横向位移时程(单位：mm)

图8 051MZQ地震波作用下全桥最大应力(单位：MPa)

图9 TCU074地震波作用下全桥横向最大位移(单位：mm)

图10 TCU074地震波作用下中跨跨中横向位移时程(单位：mm)

图11 TCU074地震波作用下全桥最大应力(单位：MPa)

4 结论

本文以某高速铁路桥梁在汶川和集集破坏性地震动记录作用下为例，对该类型桥梁的抗震性能进行研究。研究结果显示，巨震作用下高速铁路桥梁最大节点横向位移在控制范围内，不会发生落梁现象，基本满足使用要求；但是桥梁受

图12 TCU078地震波作用下全桥横向最大位移(单位：mm)

图13 TCU078地震波作用下中跨跨中横向位移时程(单位：mm)

图14 TCU078地震波作用下全桥最大应力(单位：MPa)

拉区的受拉应力值非常大，表明桥梁受损严重。本文研究可为易发巨震地区的高速铁路桥梁结构设计提供参考。