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铁路桥梁的抗震设计与分析铁路作为现代交通运输的重要方式，其桥梁的安全性至关重要。
在地震等自然灾害面前，铁路桥梁需要具备足够的抗震能力，以保障铁路运输的畅通和乘客的生命财产安全。
本文将对铁路桥梁的抗震设计与分析进行详细探讨。
一、铁路桥梁抗震设计的重要性铁路桥梁通常跨越河流、山谷等地形，是铁路线路中的关键节点。
一旦在地震中受损，不仅会导致铁路运输中断，还可能引发次生灾害，造成巨大的经济损失和社会影响。
例如，强烈的地震可能导致桥梁坍塌，使列车脱轨，威胁乘客生命安全；也可能损坏桥梁的基础和支撑结构，影响桥梁的长期稳定性。
因此，进行科学合理的抗震设计是确保铁路桥梁在地震中安全可靠的关键。
二、地震对铁路桥梁的影响地震作用下，铁路桥梁可能会受到多种形式的破坏。
首先是水平地震力引起的桥梁结构的位移和变形。
桥梁的梁体、墩柱等部件可能会因水平力而发生相对位移，导致连接部位的破坏，如支座的损坏、伸缩缝的失效等。
其次，竖向地震力也不可忽视。
它可能会增加桥梁结构的竖向荷载，导致桥墩的受压破坏，或者使梁体与桥墩之间的接触面产生过大的压力，影响结构的整体性。
此外，地震还可能引发地基的液化和不均匀沉降，从而削弱桥梁基础的承载能力，导致桥梁倾斜甚至倒塌。
三、铁路桥梁抗震设计的原则1、多防线设计原则在抗震设计中，应设置多重抗震防线，避免因单一构件的破坏而导致整个结构的倒塌。
例如，除了主要的承载构件外，还应考虑次要构件和连接部位的抗震性能，形成相互协同的抗震体系。
2、能力设计原则通过合理的设计，确保结构中的关键构件和部位具有足够的强度和延性，能够在地震中承受较大的变形而不发生脆性破坏。
3、整体性原则注重桥梁结构的整体性，使各个构件之间能够有效地协同工作，共同抵抗地震作用。
加强连接部位的设计，确保力的传递顺畅。
4、经济性原则在满足抗震性能要求的前提下，尽量降低工程造价，通过优化设计方案，选择合适的材料和结构形式，实现经济与安全的平衡。
浅谈高墩桥梁抗震设计作者：许庆鹏丁修玺来源：《科技创新导报》 2012年第8期许庆鹏丁修玺(济南汇通联合市政工程有限责任公司山东济南 250000)摘要:当前,部分高等级公路的桥梁均为不规则的高墩桥梁,并且主要横跨河谷与深沟。
公路桥梁的设计极其重要,在设计中应考虑其的抗震性能。
本文笔者针对高度桥梁的抗震设计进行分析,结合高墩桥梁的结构特点,从而阐述了其抗震的计算方法以及对策。
关键词:高墩桥梁概念设计抗震措施中图分类号:U445 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)03(b)-0119-01随着我国公路建设的日新月异,高墩桥梁也越来越多。
尤其是我国很多地方地形特殊,西南地区、西北地区以山区居多,在兴建铁路和公路时由于地形和地貌的需要,常常会使用很多高桥墩。
山区的公路建设在地形复杂和地形陡峭的情况下,很多桥梁的建设都需要跨越河谷或者深沟,此时便会采用到跨径不等的简支桥梁或者是大跨度的连续钢桥,桥墩高度往往会达到数十米甚至是上百米。
近几年来,高等级的公路建设已经开始越来越多,高墩桥梁必然也会随之增加,应用会越来越广泛。
国内外的高墩桥梁在经受地震考验方面都存在很多缺陷,导致震后修复工作难以开展。
1 高墩桥梁的抗震概念设计从上个世纪的七十年代开始,很多专家对大地震中的经验进行了科学的总结,总结发现对于抗震设计来说概念设计的重要性要超出计算设计的重要性。
抗震概念设计主要指的是一种基于震害经验所建立的基本的设计原则和方法。
主要是以工程概念作为基本依据,采用符合工程规律和本质的方法,对所设计的对象进行宏观的控制。
总体上说,抗震设计应该以概念设计作为基本的出发点,应该包含桥位选择和桥型方案等基本设计内容,还应该包括桥梁结构的上部结构和下部结构的选择以及连接等。
1.1 桥梁的位置选择结构体系设计的关键在于能否满足抗震的需求。
高墩桥梁的设计应该考虑到很多因素,比如桥宽、桥长以及平竖曲线等各方面的因素。
连续梁不同墩高及直径在地震中的反应连续梁不同墩高及直径在地震中的反应卢文才,孙平宽,戚中洋(中国公路工程咨询集团有限公司中咨华科交通建设技术有限公司,北京100195) 摘要:地震对于桥梁造成的危害巨大,本文以实l~.x-程为背景,采用通用有限元程序对于不同墩高和墩柱直径的连续梁桥建立有限元模型并进行地震反应谱分析,通过对桥墩受力特性等的分析得出对于本桥地震中受力最不利的墩高和采用最合理的墩柱直径的原理,对于防止震害,合理利用材料以及以后的工程设计和建立模型有一定的参考价值.关键词:连续梁;不同墩高的受力特性变化;地震反应谱;合理墩径中图分类号:U44文献标识码:B在公路工程包括城市交通和高速公路工程中,预应力连续梁桥被广泛应用,同时关于桥梁抗震的研究也越来越受到重视,特别在汶川大地震后,地震高烈度地区必须进行必要的抗震设计.地震使桥梁结构产生不同程度的破坏,引起破坏的主要原因是地震使地面发生水平和竖向震动,从而产生水平和竖直地震力,使桥梁各部件受力变形至破坏.新疆G314工程中渭干河大桥位于新疆地震烈度较高区域,大桥采用常规的连续梁结构,本文通过反应谱法对不同墩高,跨径一定而不同墩径的地震受力特性进行分析,对于本桥优化结构设计和防震减灾有一定的积极意义.1工程概况渭干河大桥属于G314线库车至阿克苏段高速公路工程,位于库车县和新和县交界处,全桥总长666m,跨径布置为5×30+4×30+4×30+4×30+5×30m装配式预应力混凝土(后张)连续小箱梁.下部结构和基础分别为双柱式桥墩和桩基础(墩柱直径为1.5m,桩基直径为1.7m),桥台基础为肋板式桥台和桩基础.该桥址区域地质状况良好,沿线地层自上而下分别为粉细砂,松散卵石,中密卵石,密实卵石.根据国家地震局《中国地震动反应谱特征周期区划图》(GB18306—2001)和《中国地震动峰值加速度区划图》(GB18306—2001),并参考《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001),桥址区跨越两大地震分区:地震动反应谱特征周期Tm为0.40s,地震动峰值加速度PGA为0.20g,相当于地震烈度WJ;地震动反应谱特征周期Tm为0.40s,地震动峰值加速度PGA为0.15g,相当于地震烈度Ⅶ.根据以上资料,可以确定本桥所处区域为Ⅷ度区域,建立模型中抗震设防烈度为Ⅷ度.2计算分析(一)——不同墩高的影响2.1建立有限元模型桥墩地震中的受力特性取决于桥址处的地质情况和自身的结构特点.对于当地的地质特点,建立一联5×30m小箱梁的上下部模型,分析墩柱高度从3～13m变化,桩基长度取25m的受力特性.全桥考虑土一下部结构一上部结构的共同协同工作抵抗纵,横桥向地震作用,墩桩的单元长度都为1m,桩基模型考虑桩土效应,每个节点处设置一个—y方向的土弹簧弹性连接,用来模拟桩周围土抗力的影响,人士部分桩基考虑土的附加质量的影响.弹簧系数值:K=m动?z??bn其中,m动为土层抗力系数,本文取值为静力计算值的2倍,z为桩节点深度,为单元节段长度,b.为桩的计算宽度.根据《公路桥梁抗震设计细则》的6.3.7条,计算支座的刚度,本联桥两个边墩上采用滑板支座,其余墩采用板式支座.上部结构的小箱梁之间的模拟采用横向连系梁,根据实际的小箱梁之间的连接情况选取一定的刚度.有限元模型见图1.作者简介:卢文才(1982一),男,湖北人,助理工程师,从事桥梁工程设计研究. 图15×30m小箱梁有限元模型2012年2期(总第86期)1932.2桥墩地震反应分析按《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/TB02—01—2008)中规定,本桥属于B类结构,可采用Sbl/MM法(SM一单振型反应谱或功率谱法;MM一多振型反应谱或功率谱法)计算.由于只考虑墩高变化在地震作用下受力特性变化的趋势,所以此次只考虑E1地震作用效应.根据其规定:场地为Ⅱ类,水平设计加速度反应谱最大值S=2.25?Ci?C?C?尼调整系数C=1.0,加速度峰值A:0.2,特征周期T:0.40s,根据公式(5.2.1)得到反应谱曲线.本文对于桥梁纵向和横向地震效应分别按以下方法进行荷载组合:组合1=1.0×纵向+0.3X横向组合2=0.3×纵向+1.0×横向模型中墩柱直径为1.5m,桩基直径为1.7m,在El地震作用下两种组合工况下的受力情况见表1,场地系数C=1.0,抗震重要性系数C=0.5,阻(墩柱底部的单元编号为1454).表1直径1.5m墩柱不同墩高下的受力结果表通过表1中数据可以得到其变化趋势图表,见图2～图5.N-R图2单元1454在组合1工况下的弯矩图3单元1454在组合1工况下的剪力2.3小结(1)在组合1(顺桥向)作用下,通过图2得出1942012年2期(总第86期)图4单元1454在组合2工况下的弯矩图5单元1454在组合2工况下的剪力在一定地质条件下弯矩在墩高为12m处达到最大, 然后随着墩高增大,弯矩虽然增加但是幅度很小,可以忽略;图3说明随着墩高增大,剪力一直减小.其中弯矩起主要作用.(2)在组合2(横桥向)作用下,通过图4得出在一定地质条件下弯矩随着墩高增大,而一直增大; 图5说明剪力在墩高为12m处达到最大,然后随着墩高增大而减小.其中弯矩起主要作用.(3)对于相同地质条件下,不同墩径(包括1.4m和1.6m)也有相同的趋势,例如,对于组合1作用下,1.4m和1.6m墩柱弯矩都在墩高12m处达到最大,图略.3计算分析(二)——不同墩柱直径的影响3.1建立有限元模型在前面墩桩模型的基础上,由于全桥平均桥墩高度为8m,所以本模型选取桥墩高度都为8m.本模型通过计算一定跨径(30m)的连续梁在地震作用下部结构的受力情况,得到较为合理的桥墩直径.模型中桥墩直径取1.5m,桩基直径取1.7m.3.2桥墩地震反应分析(1)E1地震作用下不同直径的桥墩顺,横桥向受力结果见下表2,其中顺桥向第4删敦为受力最不利墩,墩底单元号为1454;横桥向为第3#墩,墩底单元号为2185.表2直径1.5m墩桩受力表通过表2中数据进行圆截面偏心受压构件的计算,对桥墩只需进行构造配筋即可满足要求,且相对于横桥向,桥墩顺桥向受力更为不利.对于1.4m和1.6m直径的墩柱结果与此类似,图表省略,不再列出.(2)可以通过动力弹塑性,静力弹塑性或者一曲线得到桥墩的屈服弯矩和极限弯矩,本文通过静力弹塑性分析(即pushover)不同直径桥墩顺,横桥向的屈服弯矩和极限弯矩,并由此可得到延性墩柱的剪力设计值.结果见表3.根据抗震规范第7.3.4进行墩柱的顺,横桥向斜截面抗剪强度验算.结果如下:对于1.4m墩柱,墩顶,底塑性加密区箍筋拟采用直径16ram,HRB335钢筋,间距取最大为9em;对于1.5m墩柱,需采用直径16ram,HRB335钢筋,间距取最大为8cm;对于1.6m墩柱,需采用直径16ram,HRB335钢筋,间距取最大为8em.墩柱直径越大,所受剪力也相应越大,同时配箍筋量也越大.表3不同直径墩桩静力弹塑性分析结果表(3)E2地震作用下不同桩基直径顺,横桥向受力结果可以发现顺桥向相对于横桥向为最不利情况,通过受力结果计算桩基强度,并得到3种不同直径桩基满足强度要求的配筋量,其结果见表4.表4E2地震不同直径桩基计算分析结果表童堡:堡竺竺堑塾量堑夔量空堕1.63923.262283239401.60l1.11.739616884.13235361.2813.31.84080.27l9l3237381.2013.4通过表中数据可以得到,E2地震作用下桩基的强度计算起控制作用,且通过3种不同直径的桩基结果比较得到,选择1.7m桩基最为合理:1.6m桩基配筋率过大,施工不便,1.8m桩基与1.7m桩基配筋率相差不大,但配筋量多,材料用量过多.4结论(1)在一定地质条件下,不同墩柱直径墩底所受的弯矩随着墩高变化,呈折线型变化,即在一定墩高情况下达到最大,然后随着墩高增大而趋于平缓.(2)对于30m跨上部结构为小箱梁的连续梁桥,顺桥向的作用起主要作用,E1地震作用下桥墩强度都满足要求,不同墩径的抗剪配筋情况类似.一定墩高时,墩柱直径越大,所受剪力越大.(3)E2地震作用下桩基的强度计算起到控制作用,不同的桩基直径在配筋上虽然都能满足要求,但总会存在一种最为合理的桩径(本桥取为1.7m),兼顾满足计算要求和经济合理要求.参考文献:[1]谢旭.桥梁结构地震响应分析与抗震设计.北京:人民交通出版社,2006.[2]范立础.桥梁抗震.上海:同济大学出版社,1997.[3]JTG/TB02—01—2008,公路桥梁抗震设计细则.[4]李国豪.桥梁结构的稳定与振动.北京:中国铁道出版社,2002. 2012年2期(总第86期)195。
三等跨曲线连续梁模态分析试验刘辉;袁向荣;覃继平;陈泽贤【摘要】为了得到三等跨曲线连续梁(曲梁)的固有频率和振型,利用Midas有限元分析软件计算了曲梁的固有频率和振型,并对其进行了振动试验.试验结果采用DASP模态分析软件处理,得到曲梁的前3阶频率及振型,将试验结果与计算结果进行对比,证实振型变化的真实性,并对其冲击系数的取值进行了探讨.结果表明:曲梁前3阶频率的相对误差均不超过4％,振型基本吻合;曲梁的有限元计算频率均小于试验实测频率,且曲梁的前3阶频率均小于等跨直梁,刚度是影响同等跨径直梁和曲梁自振频率不同的主要因素.【期刊名称】《实验室研究与探索》【年(卷),期】2016(035)010【总页数】4页(P12-15)【关键词】曲线连续梁;振型;模态分析;有限元分析;冲击系数【作者】刘辉;袁向荣;覃继平;陈泽贤【作者单位】广州大学土木工程学院,广东广州510006;广州大学土木工程学院,广东广州510006;广州大学土木工程学院,广东广州510006;广州大学土木工程学院,广东广州510006【正文语种】中文【中图分类】U441.3连续梁桥是中等跨径桥梁中常用的一种桥梁结构形式，随着城市交通的日渐繁杂，曲线连续梁桥作为互通式立交桥中的匝道桥得以广泛应用，但是对于影响曲线梁桥动力特性及振型方向因子的重要参数的研究仍没有找出相关的规律[1]，而进行这些研究的关键是要得到结构的动力参数。
利用模态参数识别方法可对桥梁进行动力参数识别，从而提供结构健康监测的基准模型，服务于结构状态评估和修复[2]。
模态参数识别的基本原理是建立在已知系统输入和输出来求得频响函数，从而实现对系统的识别[3]，模态参数的识别是通过模态分析来完成的，模态分析已成为振动工程的一个重要分支[4-5]，为桥梁结构的振动特性分析、动力特性优化设计及破损故障诊断提供依据。
桥梁检测的主要内容是测定桥梁结构的固有频率、阻尼比、振型等[6]。
桥墩对曲线连续梁桥自振特性的影响
摘要多次桥梁脉动试验结果揭示连续箱型梁桥的竖向自振频率与理论分析结果吻合较好而纵向和横向自振频率吻合不好。
理论分析时桥墩的简化是关键影响因素。
本文以某六跨连续弯梁桥为基础分析了桥墩对于桥梁自振特性的影响，结果表明桥墩对于桥梁的纵向及横向自振频率具有较大的影响，而对桥梁竖向的自振特性影响不明显。
关键词连续箱梁桥自振特性桥墩
1 前言
所谓固有振动是指弹性系统在没有外部动力的作用下形成的振动。
固有振动反映系统的固有特性，是研究一切振动问题的基础[1]。
因此准确求解桥梁结构的自振特性是桥梁振动问题的首要环节。
在成桥后的荷载试验也往往通过脉动法测试桥梁的自振特性，通过与理论结果对比揭示桥梁的刚度情况。
然而多次实践表明连续箱型梁桥的竖向自振频率实测与理论分析结果吻合较好而纵向和横向自振频率吻合不好。
分析认为，桥墩是关键影响因素。
本文通过对某桥的实体建模分析支持了该观点。
该桥总长170m，整座桥梁位于半径220m的平曲线。
孔垮布置为25m+4×30m+25m，如图1所示。
上部构造为等截面预应力混凝土箱型连续梁，单箱单室直腹板箱梁，梁高1.6m，顶板宽8.1m，底板宽4m，两侧翼缘悬臂长度2.05m，该桥跨中箱梁截面如图2所示。
下部构造3号桥墩为独柱墩，其余桥墩为门式刚架墩、钻孔灌注桩基础。
图1连续梁桥总体布置图
图2跨中箱梁截面
2 有限元模型建立
为了研究桥墩对该桥自振特性的影响，分别按两种情况建立了有限元模型，第一个模型不考虑桥墩的影响，第二个模型考虑桥墩和梁的共同作用。
Ansys为构建有限元模型提供了丰富的单元选择，具体到该问题可以选用梁单元也可以选用实体单元。
使用梁单元分析时模型构建简单，求解速度较快，但是不能直观的反应梁的振型特性。
使用实体单元构建模型虽较复杂，求解速度较慢，但是可以获得较高的精度，振型直观。
经综合考虑最后决定采用Ansys实体单元Solid45。
在墩台附近箱梁截面形式有所改变，采用实体单元可以精确的反映这种截面的变化。
考虑桥墩的有限元模型图3所示。
图3 考虑墩的有限元模型
约束情况对桥梁的自振特性影响很大。
本桥3号墩墩顶设置一固定支座，其余墩台顶均设置两活动支座，其中内侧支座允许箱梁有纵向位移，外侧支座允许有横桥向和纵桥向的位移。
在有限元模型里，不考虑墩的模型约束支座位置节点的相应自由度，考虑墩时耦合支座位置墩顶节点和箱梁节点的相应自由度，约束桥台支座节点的相应自由度并将墩底固结。
结构的有限元自由振动方程为：
式中，是总刚度矩阵，总质量矩阵，是振型向量，是圆频率。
利用子空间迭代法，即可求出所需要的自振频率和相应的振型向量。
3 结果分析
利用Ansys分别计算了两种结构的前10阶自振特性。
两模型计算出的前10阶自振频率及振型特性见表1。
无墩模型计算出的面内、面外第一阶振型分别如图4、5，有墩模型计算出的面内、面外向第一阶振型分别如图6、7。
表1无墩及有墩模型自振频率及振型特性对比
图4无墩模型竖向第一阶振型
图5无墩模型横向第一阶振型
图6有墩模型竖向第一阶振型
图7有墩模型横向第一阶振型
不考虑桥墩时，桥梁的基频为4.378Hz，振型为箱梁面内的反对称弯曲，如图4所示。
前七阶振型均为面内弯曲，在第十阶出现横向第一阶振型，为箱梁的面外反对称弯曲，如图5所示。
考虑桥墩时，桥梁的基频为1.242Hz，振型为箱梁及3#墩沿桥纵向的位移。
出现该振型的原因是由于3#墩为独柱墩,墩身较长且刚度较小。
桥梁的第二阶自振频率为3.121Hz，振型为箱梁及桥墩横向的摆动，如图7所示。
在第四阶出现竖向第一阶振型，为箱梁的面内反对称弯曲，如图6所示。
无墩模型和有墩模型竖向第一阶振型相同，且频率相差很小。
进一步的比较表明无墩模型和有墩模型的低阶(<5)竖向振型均相同，且自振频率相差不大。
而对于横桥向而言,桥墩使得横向振型出现的顺序大大提前，且振型性质发生了改变。
由此可见，桥墩对桥梁的自振特性，尤其是对桥梁纵向及面外的自振特性有很大影响。
桥墩对面外自振特性影响的大小取决于墩的横向刚度及墩身的高度以及墩底的约束情况。
桥梁自振特性测试是桥梁建成后的一项重要工作，一般采用脉动法获得桥梁面内及面外的前几阶振型及频率。
实测结果应与理论结果相比较，因此首先要构建有限元模型计算桥梁的理论自振特性，此时不能忽略桥墩对桥梁横向自振特性的影响。
4 结论
通过以上分析可以得出以下几点结论：
（1）桥墩对连续梁桥面内自振特性影响不大，表现为面内低阶振型相同，自振频率相差很小。
（2）桥墩对连续梁桥面外自振特性具有很大影响。
桥墩使得横向振型的出现顺序大大提前，振型为墩和箱梁偏离轴线的横向振动。
（3）桥梁自振特性实测结果是墩梁共同作用下的结果，因此构建有限元模型计算桥梁的理论自振特性用于和实测值比较时，应考虑桥墩的作用。
这一点对于高墩桥梁来说尤为重要。
参考文献
[1] 李国豪．桥梁结构稳定与振动[M]．北京：中国铁道出版社，2003．
[2] 刘世忠，欧阳永金．独塔单索面部分斜拉桥力学性能及建设实践[M]．北京：中国铁道出版社，2006．
Abstract This paper analyzed the influence of the pier on bridge’s vibration characteristic based on a six spans continuous box-girder bridge. The result revealed that the influence on the longitudinal and lateral vibration characteristic is trimendous, but not big on the vertical vibration characteristic.
Key Words continuous box-girder bridge ; vibration characteristic;bridge pier。
