某鐵路空間剛架結(jié)構(gòu)的地震響應分析

武愛蘭,蘇 偉

(1.中鐵一院蘭州設(shè)計院,蘭州 730000；2.鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司,天津 300142)

1 概述

該工點是某高速鐵路與既有5線交叉,因高速鐵路曲線半徑較大,且受地物條件所限,交叉角度很小,如采用常規(guī)梁式橋跨越,其跨度將達到150 m以上,其梁高或橋式均不能與當?shù)丨h(huán)境相協(xié)調(diào),為此研究采用鐵路空間剛架結(jié)構(gòu)這一形式,剛架是一種上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)連成整體的框架結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)是超靜定體系,在垂直荷載作用下,框架底部除了產(chǎn)生豎向反力外,還產(chǎn)生力矩和水平反力。剛架結(jié)構(gòu)由于的橋下凈空比較大,一般用于城市或公路的跨線橋和立交橋,尤其是在線路小角度交叉時,需要跨線橋具有較大的縱向和橫向跨度,空間剛架成為一種合理的跨線橋構(gòu)造形式。

某鐵路橋梁需要跨越既有鐵路五條線,由于需要較大的縱向和橫向跨度,采用空間剛架結(jié)構(gòu)做為跨線橋結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計的空間剛架結(jié)構(gòu)的跨度為32 m,全長124.65 m。橋面系采用鋼-混疊合梁結(jié)構(gòu),鋼橫梁與邊墻通過鋼-混凝土結(jié)合段連接,邊墻采用鋼壁板內(nèi)填混凝土的結(jié)構(gòu)形式。邊墻與承臺固結(jié),通過橫梁與邊墻、邊墻與承臺、承臺與基礎(chǔ)的剛性連接,形成空間門式剛架結(jié)構(gòu),具有較大的整體剛度。該空間剛架結(jié)構(gòu)位于8度地震區(qū),一旦在強震條件下發(fā)生損壞,將造成極大損失,因此針對該橋進行地震響應分析,評價其抗震性能具有重要的意義。

目前通用的結(jié)構(gòu)地震響應分析方法有反應譜法和動力時程分析方法。反應譜方法通過反應譜概念將動力問題靜力化,概念簡單、計算方便,但是通常只能用于線性分析。目前大多數(shù)國家對于中小跨度橋梁采用反應譜進行地震分析,對于大跨、復雜及重要的橋梁都推薦采用時程分析方法[1],本文采用時程分析方法對空間剛架結(jié)構(gòu)進行地震響應分析。

2 分析模型

采用專業(yè)有限元軟件MIDAS/Civil建立空間剛架結(jié)構(gòu)的全橋空間有限元分析模型。橋面系由縱橫梁、混凝土橋面板及平聯(lián)組成,采用空間板梁法對橋面系加以模擬,即縱橫梁、平聯(lián)采用空間梁單元,混凝土橋面板采用厚板單元,梁板單元間采用共節(jié)點處理；邊墻及承臺采用板單元模擬,樁基礎(chǔ)采用梁單元模擬。

既有結(jié)構(gòu)的抗震研究表明,土與結(jié)構(gòu)相互作用對結(jié)構(gòu)的地震響應有顯著影響,對于采用樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu),更應該考慮樁-土-結(jié)構(gòu)的相互作用。樁-土-結(jié)構(gòu)動力相互作用的計算分析模型可以分為動力Winkler模型、直接有限元模型和集中質(zhì)量模型。集中質(zhì)量模型構(gòu)造簡單,模型中反應了動力反應分析中最基本的質(zhì)量、剛度和阻尼三個因素,計算量較小,因此本文以集中質(zhì)量模型建立樁-土-結(jié)構(gòu)共同作用的有限元模型。假定樁側(cè)土是Winkler連續(xù)介質(zhì),以m法確定土體動力相互作用的水平剛度系數(shù),將樁-土體系的質(zhì)量按一定的厚度簡化并集中為一系列質(zhì)點,離散成理想化的參數(shù)系統(tǒng),并用彈簧模擬土介質(zhì)的動力特性。

圖1 全橋動力分析模型

建立的全橋有限元分析模型如圖1示,共有梁單元6 696個、板單元22 521個,1 164處節(jié)點彈性支撐。

3 地震加速度激勵

在進行地震時程分析時選取了一組根據(jù)加速度反應譜擬合的人工波和兩組實際強震記錄。

關(guān)于如何選擇實際強震記錄,國內(nèi)外學者進行了大量研究。謝禮立[2]、翟長海[3]提出了最不利設(shè)計地震動概念,并給出了常見的4類場地分別對長周期、中周期和短周期3類結(jié)構(gòu)相應的最不利設(shè)計地震動。根據(jù)該方法,空間剛架(Ⅲ類場地中軟土、結(jié)構(gòu)周期0.5～1.5 s屬于中周期結(jié)構(gòu))應選取Parkfield波及El Centro波作為時程分析用實際強震記錄。

圖2給出了設(shè)計地震下人工地震波,Parkfield波及El Centro波的加速度時程曲線,根據(jù)設(shè)計反應譜,對實際強震記錄進行了濾波和峰值加速度修正,修正后的地震動持續(xù)時間均為25 s。

4 時程分析結(jié)果

4.1 位移響應

橫梁及邊墻構(gòu)成了空間剛架的主體結(jié)構(gòu),橫梁和邊墻的變形情況決定了結(jié)構(gòu)的整體剛度。圖3示出了3種地震波作用下3號剛架跨中橫梁的位移時程曲線。

圖2 設(shè)計地震加速度時程曲線

圖3 3號剛架中橫梁跨中節(jié)點橫向位移時程曲線

表1給出了地震波作用下3號剛架橫梁跨中及邊墻底部的最大變形情況。從表中可以看出,在地震作用下,橫向位移響應大于縱向位移響應。

表1 地震作用下3號剛架最大位移響應 mm

4.2 內(nèi)力響應

空間剛架的主要受力結(jié)構(gòu)是橫梁及邊墻,橫梁采用工字鋼高3 m,邊墻為2.5 m厚鋼箱混凝土結(jié)構(gòu),橫梁與邊墻通過鋼-混凝土結(jié)合段連接。由于橫梁相對薄弱,成為控制結(jié)構(gòu)整體安全的關(guān)鍵構(gòu)件。表2列出了在3種地震波作用下3號剛架中橫梁的跨中及梁端內(nèi)力。從表2中可以看出,橫梁內(nèi)力相對較小,仍處在彈性工作范圍內(nèi)；梁端內(nèi)力普遍大于跨中內(nèi)力,由于梁端設(shè)置鋼-混凝土結(jié)合段,為將梁端內(nèi)力合理、安全傳遞至邊墻,有必要對結(jié)合段構(gòu)造細節(jié)進行深入研究。

表2 地震作用下3號剛架中橫梁最大內(nèi)力響應

4.3 應力響應

表3給出了設(shè)計地震作用下3號剛架的最大應力響應。鋼橫梁的最大應力為59.06 MPa,出現(xiàn)在梁端鋼-混凝土結(jié)合段。邊墻及頂板的混凝土最大應力分別為8.4 MPa和6.57 MPa,也出現(xiàn)在鋼-混凝土結(jié)合段邊界。

表3 地震作用下3號剛架中橫梁最大內(nèi)力響應 MPa

ElCentro波作用下橋面板和邊墻的應力分布如圖4、圖5所示。由于鋼-混凝土結(jié)合段構(gòu)造復雜,采用梁、板單元,無法得到結(jié)合段的真實應力分布,但從計算結(jié)果可以判斷,鋼-混凝土結(jié)合段是設(shè)計中需要重點考慮的構(gòu)造。

圖4 3號剛架頂板橫向正應力(單位：MPa)

圖5 3號剛架豎墻豎向正應力(單位：MPa)

5 結(jié) 論

針對鐵路空間剛架結(jié)構(gòu)這一特殊橋梁結(jié)構(gòu),采用專業(yè)有限元軟件MIDAS/Civil 2010,建立全橋空間有限元模型,考慮樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用進行了地震時程分析,通過分析可以得到以下結(jié)論：

(1)分析結(jié)果表明,空間剛架結(jié)構(gòu)縱向和橫向剛度較大,能滿足設(shè)計地震作用下的變形能力要求；

(2)設(shè)計地震作用下,橫梁、邊墻及橋面板等主體結(jié)構(gòu)的應力低于材料的容許應力,主體結(jié)構(gòu)安全性滿足抗震設(shè)計要求；

(3)設(shè)計地震作用下內(nèi)力和應力分布規(guī)律表明,橫梁與邊墻的連接處受力大、構(gòu)造復雜,是結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵點,應對其抗震構(gòu)造細節(jié)加強設(shè)計。

[1] 中華人民共和國建設(shè)部.GB50111—2006 鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2009.

[2] 范立礎(chǔ),胡世德,葉愛君.大跨度橋梁抗震設(shè)計[M].北京:人民交通出版社,2004:16-17.

[3] 謝禮立,翟長海.最不利設(shè)計地震動研究[J].地震學報,2003,25(3)250-261.

[4] 翟長海,謝禮立.抗震結(jié)構(gòu)最不利設(shè)計地震動研究[J].土木工程學報,2005,38(12)51-58.