（铁道第三勘察设计院集团有限公司 桥梁设计处，300142）
【摘 要】高速铁路建设当中，为了满足列车快速、安全运行的需要，高速铁路桥墩结构具有横向刚度大的特点，但其配筋率却相对较小。目前针对此类桥墩缺乏系统的理论和试验研究，对其抗震性能的评估方法并不健全。本文以高速铁路桥梁中典型的圆端型桥墩为研究对象，采用UCFyber有限元软件对其进行了截面弯矩-曲率特性分析，并采用Priestly的方法进行了桥墩延性变形能力的计算。计算结果表明，目前高速铁路典型桥墩的延性变形能力较低，不能满足现阶段高速铁路桥梁的抗震需求。
【关键字】高速铁路；圆端型桥墩；弯矩-曲率分析；位移延性；抗震需求
1 引言
高速铁路以其安全、快捷、舒适、环保等因素已经成为中国铁路发展的主要趋势。高速铁路中桥梁所占的修建比例较高，如京沪高铁中桥梁占全线路比例达80%。高速铁路桥梁在现代交通运输系统中占据重要地位，避免其在地震作用下发生严重的破坏，是减少国家经济损失和保证人民生命安全的前提。
目前高速铁路桥梁的抗震设计主要依据《铁路工程抗震设计规范》，其是否适用目前高速铁路桥梁有待进一步研究。因目前高速铁路桥梁设计的特点及现行铁路抗震规范的局限性，使得高速铁路桥梁抗震性能的评估具有一定的独特性。本文选取高速铁路桥梁典型桥墩，对其延性抗震能力进行计算分析，对于目前高速铁路桥墩的抗震性能评估具有一定的借鉴意义。
2 位移延性变形能力计算
桥墩的位移延性能力，可通过曲率延性系数和位移延性系数的大小来衡量。曲率延性系数描述的是塑性铰区域极限曲率与屈服曲率的比值，表示结构的局部延性，而位移延性系数表示结构的整体延性。故在设计时通常使用位移延性系数来衡量桥墩的延性能力。本文运用UCFyber对高速铁路桥梁典型桥墩的塑性铰区域截面进行弯矩-曲率分析，确定了塑性铰区域的屈服曲率和极限曲率，由曲率和位移的数学关系，进一步确定桥墩的位移延性系数。
本文选取高速铁路桥梁中典型的圆端型截面桥墩进行案例分析。选取的典型桥墩配筋率0.3%，配箍率0.25%，剪跨比4，墩高4m，轴压比10%。其截面形式如图1所示。
图1 圆端型截面桥墩示意图
2.1 截面材料本构关系
采用截面分析专用软件UCFyber，对圆端型截面进行弯矩-曲率分析。其中钢筋采用考虑应变强化的曲线强化模型（图2），约束混凝土采用Mander模型（图3）。
2.2 截面弯矩-曲率分析
（1）弯矩-曲率关系曲线
对钢筋混凝土结构进行反复荷载分析，需要定义截面的恢复力滞回模型，本文采用的是双线性模型，其根据能量近似的原则，通过几何作图的方法确定屈服曲率。
图4双线性骨架曲线
（2）截面弯矩-曲率分析结果
钢筋混凝土桥墩塑性铰区截面的曲率延性水平，主要取决于轴压比和混凝土的极限压应变，此外还受混凝土的抗压强度、纵向钢筋屈服应力、配筋率以及保护层厚度等因素的影响。其中，混凝土可达到的极限压应变大小，主要取决于桥墩塑性铰区范围约束箍筋对核心混凝土的约束程度，即取决于约束箍筋的形式、屈服应力和配箍率。
根据《铁路工程抗震设计规范》，屈服点定义为截面最外侧钢筋屈服时刻；极限点定义为核心混凝土压碎破坏时刻，此时对应箍筋断裂。在无约束混凝土、约束混凝土和钢筋的的应力-应变关系己知的情况下，应用UCFyber软件对各桥墩墩底截面进行弯矩-曲率分析，分析结果见图5及表1。其中，有效刚度 。
2.3 延性能力计算
（1）位移延性系数
（1）
式中，
为延性构件极限位移；
为延性构件屈服位移。
（2）曲率延性系数与位移延性系数关系
桥墩的弹塑性变形计算见图6，极限位移表示为：
（2）
式中， 
为屈服位移；
为塑性位移。
图6 桥墩的弹塑性变形
屈服位移表示为：
（3）
式中，
为墩底截面屈服曲率；L 为桥墩计算高度。
塑性位移表示为：
（4）
式中，
为等效塑性铰长度；
为塑性转角。
式中， fy为纵筋屈服强度； ds为纵筋直径；
为墩底截面的极限曲率。
各桥墩的塑性铰长度、屈服位移、极限位移和位移延性能力计算结果见表2。
《铁路工程抗震设计规范》中规定钢筋混凝土桥墩允许位移延性比取值为4.8，为使桥墩的延性储备充足，其位移延性能力应大于4.8。由表格数据可知，桥墩顺桥向位移延性能力稍大于4.8，基本满足抗规要求，但是横桥向位移延性能力明显偏低，不能满足抗震需求。
3．结论
本文采用Priestly提出的方法对高速铁路桥梁圆端型桥墩的位移延性能力进行了分析计算。通过计算分析得出，目前高速铁路桥梁采用的刚度设计为主的圆端型桥墩位移延性能力偏低，尤其是横桥向的位移延性能力不能够满足抗震需求。有必要对已建高速铁路桥墩进行更加全面的抗震性能评估，并对未来的高速铁路桥墩抗震设计提出合理的改进建议。
参考文献：
[1]胡聿贤．地震工程学．北京：地震出版社，1988
[2]范立础．桥梁抗震．上海：同济大学出版社，1997
[3]Mander J.B., Priestley M.J.N., Park R. Theoretical Stress Strain Model for Confined Concrete.Journal of Structural Engineering [J], ASCE, 1988,114(8):1804-1825
[4]Priestley M.J.N等著,袁万城等译. 桥梁抗震设计与加固 [M]. 人民交通出版社,1997
[5]赵冠远.钢筋混凝土桥梁非线性分析与基于性能的抗震设计. 博士学位论文, 北京交通大学, 2006
[6]卓卫东．桥梁延性抗震设计研究．同济大学博士学位论文．2000．06．
[7]中华人民共和国铁道部部标准．铁路桥涵设计基本规范（TB10002.1-2005）．北京：中国铁道出版社．
[8]赵岩．桥梁抗震的线性／非线性分析方法研究．大连理工大学博士学位论文．2003.6
[9]李义宾．客运专线铁路桥梁设计新理念．客运专线铁路桥梁设计论文专辑．2007
论文作者:刘勇
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年2月供稿
论文发表时间:2016/5/26
标签：延性论文; 桥墩论文; 位移论文; 曲率论文; 桥梁论文; 截面论文; 高速铁路论文; 《工程建设标准化》2016年2月供稿论文;