不同墩梁連接方式的長(zhǎng)聯(lián)大跨度鐵路橋地震反應(yīng)特性對(duì)比分析

霍學(xué)晉,高玉峰,李曉斌

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

1 工程概述

福廈線烏龍江特大橋?yàn)殡p線鐵路橋,設(shè)計(jì)旅客列車(chē)行車(chē)速度 250km/h。該橋主橋的初步設(shè)計(jì)擬定了 3種橋式,方案一:(80+3×144+80)m五跨連續(xù)梁;方案二:(80+3×144+80)m五跨連續(xù)剛構(gòu);方案三:(80+3×144+80)m五跨連續(xù) -剛構(gòu)組合結(jié)構(gòu)。3種方案中主梁采用相同的結(jié)構(gòu)形式,主梁根部梁高11.0m,跨中及邊跨直線段梁高 6.0m,主梁線形按圓曲線變化。梁體采用 C55混凝土,為三向預(yù)應(yīng)力體系。連續(xù)梁支座采用球形支座,伸縮縫選用特制鐵路橋梁大位移伸縮縫。橋址處抗震設(shè)防烈度為 7度,地震動(dòng)峰值加速度為 0.10g,反應(yīng)譜特征周期 0.4 s。

3種方案中,墩的結(jié)構(gòu)形式有所不同。方案一中各墩均采用等截面圓端形墩,順橋向?qū)挾戎虚g固定墩為 8.0m,其他中間墩為 7.0m,邊墩為 4.9m,橫橋向?qū)挾冗叾諡?11.5m,中間墩均為 10.5 m;方案二中邊墩的尺寸與方案一相同,6～9號(hào)主墩采用雙薄壁墩,柱間距為 8.4m,單肢柱在順橋向的寬度為 2.5m,橫橋向?qū)挾葹?9.7m;方案三中7號(hào)和8號(hào)中墩采用雙柱墩,墩截面尺寸與方案二相同,其余橋墩采用獨(dú)柱墩,墩的尺寸與方案一相同。墩的材料采用 C35混凝土。3種方案中,樁的布置形式和樁徑也有所不同。方案一主墩墩底布置 16根樁,樁徑為 2.5m,順橋向和橫橋向樁間距分別為 5.2m和 5.5m;方案二主墩單肢薄壁墩柱下均布置 10根樁,樁徑為 2.0m,順橋向和橫橋向樁距均為 4.2m;方案三中邊墩下樁基布置與方案一相同,6號(hào)和 9號(hào)墩下布置 20根樁,樁徑 2.0m,順橋向和橫橋向樁距均為 4.4m,7號(hào)和 8號(hào)墩樁基布置與方案二相同。樁的材料采用 C30混凝土。上述 3種方案的橋型布置見(jiàn)圖1。

圖1 3種橋式方案立面布置(單位:cm)

2 動(dòng)力計(jì)算模型

橋跨的空間動(dòng)力計(jì)算模型采用大型通用有限元分析軟件 ANSYS進(jìn)行建立。選用考慮剪切變形影響的三維漸變不對(duì)稱 Timoshenko梁?jiǎn)卧?BEAM188)模擬主梁、橋墩及樁基礎(chǔ),對(duì)于橋面二期恒載以及鄰跨簡(jiǎn)支梁質(zhì)量的影響將其等效為相應(yīng)主梁節(jié)點(diǎn)上的質(zhì)量單元(MASS21)模擬。由于承臺(tái)為高樁承臺(tái)且樁基較長(zhǎng),樁端處進(jìn)行固結(jié),對(duì)樁土相互作用采用線性彈簧單元(COMBIN14)模擬,彈簧剛度按 m法確定。模型中主梁與墩身的連接采用主從約束的方式實(shí)現(xiàn),承臺(tái)與樁基的連接通過(guò)定義剛域的方式實(shí)現(xiàn)。針對(duì)上述 3種設(shè)計(jì)方案,分別建立了對(duì)應(yīng)的計(jì)算模型。連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)墩的計(jì)算模型如圖2所示。

3 自振特性對(duì)比

圖2 橋墩空間有限元計(jì)算模型

本文分別對(duì) 3種橋型方案進(jìn)行了自振特性分析,針對(duì)每種方案又考慮了樁土作用與不考慮樁土作用兩種情況。對(duì)于不考慮樁土作用的情況是在樁基的局部沖刷線處將樁底固結(jié)處理?？紤]樁土作用與否的 3種橋式方案前 10階自振周期及其振型特征描述見(jiàn)表1和表2。圖3給出考慮樁土作用時(shí) 3種橋式方案典型振型的示意圖。

表1 不同墩梁連接方式3種方案的模態(tài)分析結(jié)果(考慮樁土作用)

表2 不同墩梁連接方式3種方案的模態(tài)分析結(jié)果(不考慮樁土作用)

由自振特性分析結(jié)果可以看出:(1)對(duì)于 3種橋式方案,考慮樁土作用的各階自振周期均比不考慮樁土作用時(shí)相應(yīng)值有所增加,可見(jiàn)樁土相互作用使得橋跨結(jié)構(gòu)變?nèi)?自振周期增大;(2)在考慮樁土作用時(shí),3種方案的基本周期值分別為 2.579、3.177、3.207 s,可見(jiàn)連續(xù)梁方案的基本周期相對(duì)較短,而連續(xù)剛構(gòu)和連續(xù)-剛構(gòu)組合方案的基本周期值基本相當(dāng);(3)3種模型的第一階振型均為主梁第 4跨側(cè)彎,可見(jiàn)由于 8號(hào)和 9號(hào)墩底樁基礎(chǔ)位于較厚的細(xì)砂層,致使該部位的橫向剛度較弱;(4)分別對(duì)比 3種橋型考慮樁土作用與不考慮樁土作用的振型結(jié)果,剛構(gòu)模型的前 5階、剛構(gòu)-連續(xù)組合模型的前 6階振型都是一致的,但對(duì)于連續(xù)梁方案第 2階振型即出現(xiàn)了差異;(5)考慮樁土效應(yīng)時(shí),3種橋型非固結(jié)墩的縱向彎曲振型均提前出現(xiàn)。

圖3 考慮樁土作用時(shí)3種橋式方案典型振型示意

4 反應(yīng)譜分析結(jié)果對(duì)比

橋址區(qū)的工程地質(zhì)勘探資料表明,該橋橋址場(chǎng)地土的平均剪切波速在 157～304m/s,屬于Ⅱ類場(chǎng)地土,根據(jù)中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖知地震動(dòng)峰值加速度為0.10g,地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為 0.4s。根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[2],其反應(yīng)譜輸入的動(dòng)力放大系數(shù) β=2.25×0.4/T,長(zhǎng)周期部分穩(wěn)定在 0.45 s,反應(yīng)譜曲線如圖4所示。

圖4 輸入反應(yīng)譜曲線

本文分別對(duì) 3種橋型方案進(jìn)行縱向、橫向及豎向地震反應(yīng)譜輸入,其中豎向反應(yīng)譜值取水平向的 1/2。分析對(duì)比了各輸入工況下 3種橋型關(guān)鍵截面的內(nèi)力及位移情況。各墩底及墩頂內(nèi)力對(duì)比情況見(jiàn)圖5～圖7;墩頂位移及主梁位移的結(jié)果對(duì)比情況見(jiàn)圖8～圖12。

圖5 縱向地震反應(yīng)各墩墩底面內(nèi)彎矩比較

圖6 縱向地震反應(yīng)各墩墩頂面內(nèi)彎矩比較

圖7 橫向地震反應(yīng)各墩墩底面外彎矩比較

圖8 縱向地震反應(yīng)墩頂位移比較

圖9 橫向地震反應(yīng)墩頂位移比較

圖10 縱向地震反應(yīng)主梁縱向位移比較

圖11 縱向地震反應(yīng)主梁豎向位移比較

圖12 橫向地震反應(yīng)主梁橫向位移比較

通過(guò)對(duì) 3種橋型內(nèi)力及位移反應(yīng)值的綜合對(duì)比分析,得出以下結(jié)論。

(1)縱向地震作用下,3種橋型均在 7號(hào)墩底或墩頂產(chǎn)生最大的面內(nèi)彎矩和剪力,故 7號(hào)墩將成為全橋受力最不利的部位。分析其原因,7號(hào)墩樁基為全橋所有橋墩中最短者,即該處巖層最淺,樁底固結(jié),無(wú)樁土作用的考慮。從橫向地震作用內(nèi)力反應(yīng)值的對(duì)比結(jié)果看,3種橋型并無(wú)明顯差異。

(2)從位移反應(yīng)值的對(duì)比情況來(lái)看,3種橋型均在8號(hào)或 9號(hào)墩頂發(fā)生了較大的墩頂位移,同時(shí) 3種橋型在橫向地震作用下其第 4跨跨中位置處均發(fā)生全橋最大的橫向位移值?？梢?jiàn),在地震作用下 8號(hào)和 9號(hào)橋墩基礎(chǔ)及第 4跨主梁剛度不足,將成為全橋的薄弱部位。分析其原因,在于 8號(hào)和 9號(hào)墩墩底的樁基礎(chǔ)位于較厚的細(xì)砂層,樁長(zhǎng)較長(zhǎng),致使該部位樁基礎(chǔ)剛度較弱。這和模態(tài)分析結(jié)果中 3種模型的第 1階振型均為主梁第四跨側(cè)彎的結(jié)論是一致的。

(3)從縱向或橫向反應(yīng)譜輸入情況下 3種橋型墩頂及主梁發(fā)生的最大位移值來(lái)看,橋型一的位移值較小,整體剛度較大,其地震反應(yīng)性能優(yōu)越于其他兩種橋型;而橋型二和橋型三的相應(yīng)位移值差別不大。

(4)從豎向地震反應(yīng)對(duì) 3種橋型的影響來(lái)看,對(duì)于橋型一和橋型三,豎向地震反應(yīng)在 7號(hào)固定墩(橋型一)及 7號(hào)和 8號(hào)墩梁固結(jié)橋墩(橋型三)中產(chǎn)生面內(nèi)彎矩和剪力;對(duì)于橋型二,豎向地震反應(yīng)在其 6號(hào) ～9號(hào)橋墩及主梁截面將同時(shí)產(chǎn)生面內(nèi)和面外的彎矩和剪力?？傮w看來(lái),豎向地震反應(yīng)對(duì)橋型二的影響最大,橋型三次之,對(duì)橋型一的影響很小。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)不同墩梁連接方式下的 3種橋式方案進(jìn)行了自振特性分析和反應(yīng)譜分析,對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的地震內(nèi)力和位移進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果表明,本橋最終選用的設(shè)計(jì)方案橋型一(連續(xù)梁方案)是可行合理的,但因固定墩受力較為不利,須保證其具有足夠的縱橫向剛度及強(qiáng)度,同時(shí)須選用利于抗震的墩頂固定支座。

[1] 鐵道部工程設(shè)計(jì)鑒定中心,鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.中國(guó)高速鐵路橋梁技術(shù)國(guó)際交流會(huì)論文集[C].北京:中國(guó)鐵道出版社,2008.

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