摘要：内纳铁路是中国帮助肯尼亚修建的一条全线采用中国标准的标轨铁路，为了研究部颁通图4103系列在东非大裂谷地区的适用性，本文通过理论分析和有限元模拟，探讨了东非大裂谷区简支梁桥墩的地震响应，结果表明，东非大裂谷区域桥墩受到的地震力要大于按国内标准计算的地震力，通图4103系列若用于内纳铁路建设，需要对其重新进行抗震设计。
关键词：内纳铁路；东非大裂谷；桥墩；地震响应
1 引言
新建肯尼亚内罗毕至纳瓦沙标轨铁路项目（简称内纳铁路）全长120km，位于东非大裂谷地区，为蒙内铁路的延长线，该铁路为中国国铁Ⅰ级、单线铁路；设计活载为“中-活载”；设计时速为客运120km/h，货运80km/h。该铁路是中国在非洲“一带一路”上的重要组成部分，项目建成将进一步推动中国铁路标准在东非乃至整个非洲推广应用。
东非大裂谷区域火山及地震活动频繁，内纳铁路桥梁主要以标准32m预应力混凝土简支T梁为主，其长度占全线桥梁总长度的98%，桥墩主要为单线圆端型实体桥墩，采用4103系列通图，其适用范围如下表1所示；桥墩地震力检算按照《铁路工程抗震设计规范》（2019年版）要求执行，由于东非裂谷区地震动参数相较国内规范有所区别，为了保证铁路桥梁的安全，需要对
该区域的桥墩重新进行地震力检算。
表1 通桥4103系列适用范围
2 地震动参数
内纳铁路位于8度地震区，地震动峰值加速度Ag=0.20g，位于地震动加速度反应谱特征周期Tg=0.5s分区内，其Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类场地地震动反应谱特征周期Tg分别为0.40s、0.50s、0.75s，超出了《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015）的分区范围，需重新进行地震力检算。
我国《铁路工程抗震设计规范》7.2.3采用的动力放大系数，其中Tg为地震动反应谱特征周期，T为结构自振周期；而根据现场试验数据，内纳铁路所经地区动力放大系数，相比抗震规范提高了1.11倍，对桥墩地震受力更加不利。
3 桥墩墩顶荷载
桥墩抗震验算需要分别计算顺桥向与横桥向的水平地震力，桥墩抗震验算应采用地震作用与恒载、活载进行最不利组合；本文恒载主要包含结构自重及桥面二期恒载，活载考虑了列车竖向静活载；根据列车竖向静活载的不同，又分成3种荷载工况，分别是：（1）恒载+地震力；（2）恒载+单孔布载+地震力；（3）恒载+双孔布载+地震力。三种荷载工况下墩顶反力见表2所示。
表2 墩顶反力
图1 墩身构造图（单位：cm）
4.2 桥墩模型
本文以某桥20m墩高为例，简述通桥-4103-Ⅲ（2012）在内纳铁路建设中的适用性。采用Midas Civil，利用反应谱法建立单墩的有限元模型，研究桥墩在多遇地震作用下的响应；对于Ⅰ类场地，由于场址主要为基岩场地，场地条件好，认为基底为完全刚性体，桥梁基础按明挖基础设计；Ⅱ类场地为一般地区场地，场地为中密、稍密碎石类土，场地条件较好，桥墩基础按桩基础设计；Ⅲ类场地，以软弱土为主，场地条件差，桥墩基础按桩基础设计。
对于明挖基础，采用一般支撑节点模拟，而对于桩基础，则采用“m”法模拟桩土相互作用，即用土弹簧模拟土体的作用，而用梁单元模拟桩，模型如图2所示。由于地震时间很短，取地基系数m动=2m静，不同类型的地基土应分成不同的层；在同类型的土层中再进行分层，计算每层土的刚度系数；桩的上部土层应划分密些，下部土层可以分得厚些，桩单元划分要保证每层土中间有一个对应的节点，以便施加节点弹性支承或者一般连接中的弹簧单元。
图2 桥墩计算模型
地震输入分为顺桥向与横桥向两个方向，振型组合采用SRSS法；顺桥向不计列车荷载引起的地震力，横桥向计50%活载引起的地震力，作用于轨顶以上2m处，活载竖向力按列车静活载的100%输入。梁体的地震作用顺桥向位于支座中心，横桥向位于梁高的1/2处。
4.3 特征值分析
特征值计算采用多重Ritz向量法，根据建立的桥墩有限元模型，计算得桥墩自振周期如下表3所示。可以看出，Ⅰ类场地桥墩的自振周期小于Ⅱ、Ⅲ类场地条件下的自振周期，说明桥墩自振周期随着桥墩刚度的减小而增大；同时也可以看出桥墩自振周期随着活载的增加而增大。同时，由于东非大裂谷区域场地土特征周期较《铁路工程抗震设计规范》同类场地条件有所提高，导致桥墩的自振周期与场地土的特征周期更加接近，在横向无车荷载状况下，Ⅰ类场地桥墩自振周期为0.40s，与场地地震动特征周期几乎一致，产生了共振，对桥墩结构受力极为不利。
表3 自振周期（T/s）
4.4 墩底地震力
为了比较东非大裂谷地区与国内桥墩地震力的区别，本文分别采用东非大裂谷地区地震动参数及《铁路工程抗震设计规范》的地震动参数进行抗震验算，从横桥向和顺桥向两个方向的地震力分别考虑，取墩底截面为控制截面，其计算结果对比如表4，表5所示。受限于篇幅，本文仅研究桥墩位于直线上的情况。
表4 顺桥向地震作用组合
从结果中可以看出：
（1）当地震力计算采用裂谷区地震参数时，桥墩地震响应比采用国内标准地震参数的要大10%~30%。说明东非大裂谷地区的桥墩受到的地震力更大，不建议直接采用通桥4103系列，如果要适用于内纳铁路，则需要对其进行截面优化或者增加配筋率，待验算通过后方能使用。
（2）桥墩地震力随着场地类别的提高而增大，主要原因是因为场地土类别越高，地震动加速度反应谱特征周期越高，其自振周期越接近结构的自振周期，甚至发生了共振，因此，场地条件越差，对于结构受力越不利。
（3）列车对桥墩纵桥向地震力的影响较小，三种荷载工况下，墩底截面剪力值几乎相同，在单孔布载工况下，受列车偏载影响，墩底弯矩值最大；列车活载对于桥墩横桥向地震力的影响较大，主要原因是当桥上有车时，顺桥方向，由于车轮的作用，轨道与列车顺桥向属于无约束状态，地面运动的加速度很难传递到列车上，所以纵桥向几乎可以不计列车所产生的水平地震力，但是由于横桥向，轨道约束了列车的横桥向运动，所以地面加速度依然可以传递到列车上，因此，桥墩横桥向地震力会受到列车荷载的影响，当列车处于双孔布载情况时，桥墩受力为最不利状态，此时，弯矩和剪力均达到最大。
5 结论
通过理论分析及有限元模拟，可以得出以下结论：
（1）东非大裂谷区域场地特征周期比国内抗震规范中的取值要偏大，甚至接近桥墩本身的自振周期，同时，该地区的动力放大系数较国内规范取值偏大，这些因素的变化均对桥墩受力更加不利。
（2）采用裂谷区地震参数计算得出的桥墩地震力要比采用国内标准地震参数的大10%~30%，因此，通桥4103系列不应直接用于内纳铁路桥墩建设，需要对其截面或者墩身钢筋进行调整，待验算通过后，方可指导设计。
（3）本文阐述了桥墩地震力计算的方法，具有一定的借鉴意义。
参考文献：
[1] 《铁路工程抗震设计规范》（GB50111-2006）（2009年版）.
[2] 董义，李春燕.青藏铁路九度地震区简支梁桥地震力的简化计算分析[J].冰川冻土，2003（S1）：92-94.
[3] 邹蕾.铁路简支梁圆端墩设计计算分析[J].高速铁路技术，2012，3（03）：50-53.
论文作者:曾险,张景桥,李祁伟,李晓霞
论文发表刊物:《防护工程》2019年第3期
论文发表时间:2019/5/24
标签：桥墩论文; 东非论文; 裂谷论文; 周期论文; 场地论文; 铁路论文; 列车论文; 《防护工程》2019年第3期论文;