帽梁與墩柱剛度比對(duì)門式墩受力的影響

劉陽(yáng)明

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北武漢 430063)

1 門式墩受力特點(diǎn)

昆明市軌道交通首期工程世紀(jì)城站 ～五臘村站為路中高架,且車站采用島式車站,導(dǎo)致線路線形出現(xiàn)“喇叭口”,受到線路線形及彩云路路中綠化帶寬度的限制,在車站附近都采用兩片單線梁并置跨越,下部結(jié)構(gòu)采用門式墩和鉆孔樁基礎(chǔ)。門式墩與基礎(chǔ)作為一個(gè)整體參與受力,樁基礎(chǔ)模擬已經(jīng)在以往很多文獻(xiàn)中都有論述,樁基模擬的方法相對(duì)比較成熟。本文對(duì)樁基礎(chǔ)的模擬就不再贅述了,重點(diǎn)闡述門式墩帽梁與墩柱內(nèi)力合理分配的問題。門式墩是帽梁與墩柱剛性連接的整體結(jié)構(gòu),兩者一起承受荷載,帽梁受力特性類似連續(xù)梁中跨那樣,彎矩在墩柱與帽梁連接處為負(fù),在帽梁中部為正;墩柱彎矩線性分布,墩柱底、柱頂內(nèi)力分配是我們比較關(guān)心的。

2 帽梁與墩柱剛度比對(duì)門式墩受力的影響

2.1 帽梁與墩柱剛度比

圖1 有限元模型

首先,介紹帽梁與墩柱剛度比(以下簡(jiǎn)稱剛度比)的概念。帽梁的剛度與墩柱的剛度之比,稱為剛度比,一般用 K表示,計(jì)算公式如下:

其中:I1為帽梁的截面慣性矩;l為帽梁的跨度;I2為墩柱的截面慣性矩;h為墩柱的高度;I1/l為帽梁的剛度;I2/h為墩柱的剛度。

2.2 剛度比對(duì)豎向荷載作用效應(yīng)的影響

本文以昆明軌道交通首期工程 1號(hào)線體育城南站～五臘村站 143#門式墩為實(shí)例。該門式墩基本尺寸如下:帽梁截面順橋向 2.6 m、高 2.2 m,墩柱截面為 2 m×2 m,承臺(tái)順橋向×橫橋向?yàn)?5.8m×6 m。采用 MIDAS建立有限元模型,模型如圖 1所示。本文以實(shí)際尺寸進(jìn)行簡(jiǎn)單處理,通過調(diào)整墩柱慣性矩I2來(lái)調(diào)整帽梁與墩柱的剛度比,在帽梁跨中施加1000 k N豎向荷載,探討豎向荷載作用效應(yīng)與剛度比之間的關(guān)系。豎向荷載作用效應(yīng)與剛度比關(guān)系曲線如圖 2所示。

圖2 豎向荷載作用效應(yīng)與剛度比關(guān)系曲線

由關(guān)系曲線可以得出如下結(jié)論:帽梁跨中彎矩隨著剛度比的增大而增大并逐步趨于穩(wěn)定,墩柱頂彎矩和墩柱底彎矩的絕對(duì)值隨著剛度比的增大而減小并逐步趨于穩(wěn)定。一般將剛度控制在 3～15為宜,這樣可以有效地控制豎向荷載作用效應(yīng)。

2.3 剛度比對(duì)縱向荷載分配的影響

在門式墩的計(jì)算過程中,需要把作用在帽梁的縱向荷載分配給每個(gè)墩柱。一般設(shè)計(jì)者都是按照“杠桿法”將縱向荷載分配到每個(gè)墩柱,這種方法將帽梁與墩柱的連接視為鉸接,明顯是不準(zhǔn)確的。本文以昆明軌道交通首期工程 1號(hào)線體育城南站～五臘村站 143#門式墩為實(shí)例,以實(shí)際尺寸進(jìn)行簡(jiǎn)單處理,通過調(diào)整墩柱慣性矩I2來(lái)調(diào)整帽梁與墩柱的剛度比,在帽梁距左墩柱頂 l/3(l為帽梁的跨度)處施加 1000 k N縱向荷載,探討墩柱縱向荷載分配與剛度比之間的關(guān)系。墩柱縱向荷載分配與剛度比關(guān)系曲線如圖 3。

圖3 墩柱縱向荷載分配與剛度比關(guān)系曲線

根據(jù)實(shí)際尺寸計(jì)算剛度比K=0.91,按照“杠桿法”計(jì)算得到左墩柱剪力為 666.7k N、右墩柱剪力為 333.3k N。剛度比在 0～4區(qū)間內(nèi),彎矩值基本上是關(guān)于 K=0.91對(duì)稱分布的,并且偏離該對(duì)稱軸越遠(yuǎn)越接近“杠桿法”計(jì)算所得值。剛度比在 4～15區(qū)間內(nèi),彎矩值基本趨于穩(wěn)定,變化很小。

2.4 剛度比對(duì)地震荷載作用效應(yīng)的影響

據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2008版)劃分,昆明抗震設(shè)防烈度為 8度,設(shè)計(jì)基本地震加速度值為 0.20g,設(shè)計(jì)地震分組第二組。昆明屬于地震高烈度區(qū)域,橋墩的配筋往往是地震力荷載控制,所以探討地震力作用效應(yīng)是非常必要的。本文以上述的 143#門式墩為實(shí)例,以實(shí)際尺寸進(jìn)行簡(jiǎn)單處理,通過調(diào)整墩柱慣性矩I2來(lái)調(diào)整帽梁與墩柱的剛度比,采用MID A S建立有限元模型,采用反應(yīng)譜法計(jì)算門式墩地震力(本文只考慮門式墩自身對(duì)地震的響應(yīng),不考慮外荷載對(duì)地震的響應(yīng)),探討地震力作用效應(yīng)和剛度比之間的關(guān)系。經(jīng)計(jì)算表明,左右墩柱的地震響應(yīng)基本相等且規(guī)律也相同,故只列出左墩柱底及墩柱頂?shù)膹澗睾图袅χ怠?/p>

表1為不同剛度比的情況下,墩柱底和墩柱頂彎矩及剪力分配表。為了更直觀的找出規(guī)律,將剛度比與墩柱底內(nèi)力分配比例用曲線表示出來(lái)。墩柱底內(nèi)力分配比例與剛度比的關(guān)系曲線如圖 4。

圖4 墩柱底內(nèi)力分配比例與剛度比的關(guān)系曲線

由圖 4可以明顯得出如下規(guī)律:墩柱底縱向彎矩、墩柱底縱向剪力及墩柱底橫向剪力分配比例對(duì)剛度比的敏感性不強(qiáng),而墩柱底橫向彎矩的分配比例在剛度比 0～1區(qū)間內(nèi)變化很大,在剛度比 1～4區(qū)間內(nèi)變化較小。從而不難得出,剛度比在 1～4區(qū)間內(nèi),門式墩地震力作用效應(yīng)比較穩(wěn)定,且墩柱底與墩柱頂內(nèi)力分配較均勻,墩柱的受力比較合理,墩柱配筋較合理,不至于過于浪費(fèi)。

3 結(jié) 論

綜上所述,在滿足墩柱頂位移限值的前提下,門式墩帽梁與墩柱的剛度比在 3～5之間,門式墩的受力比較合理。

[1]吳鵬.城市軌道交通多線門式墩設(shè)計(jì)淺談[J].鐵道勘測(cè)與設(shè)計(jì),2008(1)

[2]蔡正,彭庭佳.九度地震區(qū)門式墩地震荷載計(jì)算[J].山西建筑,2004(3)

[3]鐵道部專業(yè)設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)混凝土橋[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2000