托換對津濱輕軌橋梁抗震性能的影響分析

劉艷霞， 卜建清

( 石家莊鐵道大學 土木工程學院，河北 石家莊 050043)

0 引言

天津市濱海新區(qū)中央大道新港四號路地道工程從已建成通車的津濱輕軌高架橋下穿過，需要對輕軌橋的339#和340#墩兩個橋墩進行托換。由于天津地區(qū)在地震區(qū)劃圖上多處于Ⅶ度區(qū)，輕軌橋梁的樁基礎(chǔ)建于Ⅳ類軟弱土層中，橋梁的動力特性和地震反應會因樁-土的相互作用而發(fā)生改變，而且通常來說這種改變并不總是偏于安全的。目前，我國的橋梁抗震設計規(guī)范還很不完備，參照鐵路工程抗震設計規(guī)范和公路橋梁抗震設計細則的規(guī)定，采用反應譜法和時程分析法對被托換的津濱輕軌橋梁進行地震反應分析。

1 工程概況及計算模型

兩個被托換的橋墩( A 339#和A 340#墩) 位于津濱輕軌泰達站和市民廣場站之間，橋梁結(jié)構(gòu)為兩聯(lián)三跨連續(xù)梁橋，全長均為130 m，A339#墩為A 337#～A 340#連續(xù)梁的制動墩，A 340#墩為A 337#～A 340#和A 340#～A 343#兩聯(lián)連續(xù)梁的共用墩，輕軌橋梁橋?qū)?．9 m。A 337#～A 340#一聯(lián)梁體采用C50 混凝土，跨徑為25 m+25 m+20 m 的預應力混凝土連續(xù)梁，A 340#～A 343#一聯(lián)梁體采用C40 混凝土，跨徑為20 m+20 m+20 m 的鋼筋混凝土連續(xù)梁，梁高均為1．5 m。支座采用JHPZ 盆式橡膠支座。墩柱為鋼筋混凝土矩形墩，制動墩所采用的混凝土標號為C35，非制動墩所采用的混凝土標號為C30，墩柱尺寸為1．4 m×2．2 m。采用群樁基礎(chǔ)，8 根Φ0．8 m 鉆孔灌注樁，樁長為44 ～45 m，鋼筋混凝土承臺尺寸為5．6 m ×6．4 m，厚度為2．0 m。

由兩跨預應力鋼筋混凝土連續(xù)框架托換結(jié)構(gòu)取代A339#和A340#兩個橋墩的部分橋墩和基礎(chǔ)，托換結(jié)構(gòu)采用C60 混凝土，縱梁斷面尺寸為1．8 m×2．0 m，全長為40．5 m，橫梁全長15 m，兩邊橫梁的斷面尺寸為3．0 m×2．0 m，中間的橫梁為3．5 m×2．0 m。連續(xù)框架托換結(jié)構(gòu)與九根鉆孔灌注摩擦樁( 托換樁)共同組成托換結(jié)構(gòu)體系，托換樁采用C35 混凝土，六根邊樁樁長為70 m，直徑均為1．8 m，三根中樁單樁長90 m，直徑為2．0 m。托換結(jié)構(gòu)與托換樁的位置平面如圖1 所示。地道箱體的橫斷面見圖2。為保證傳荷效果和橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能，兩個被托換橋墩與托換大梁的固結(jié)點中采取開鑿企口、植入鋼筋、施加雙向預應力、增加構(gòu)造鋼筋和箍筋等措施，9 根托換樁與托換大梁的固結(jié)點中不僅有大量的連接鋼筋，還有由鋼管套與鋼管混凝土柱組成的水平約束措施。托換前后各橋墩高度見表1。

圖1 托換大梁平面圖(單位:cm)

圖2 地道箱體的橫斷面(單位:m)

表1 托換前后各橋墩高度 m

運用ANSYS 建立橋墩托換前及托換后津濱輕軌橋梁模型，如圖3 所示。托換結(jié)構(gòu)、橋梁、墩身均采用Solid95 實體單元模擬，橋梁中的預應力鋼筋采用LINK8 單元模擬，支座采用Combin40 單元模擬，樁-土間的相互作用采用范立礎(chǔ)［1］提出的質(zhì)量-彈簧體系進行模擬，用Solid95 實體單元模擬樁基礎(chǔ)，用Combin14彈簧單元模擬樁周圍土抗力的影響。

2 地震響應分析

2．1 橋址場地概況及地震動參數(shù)

圖3 有限元分析模型

該橋橋址場地土屬于Ⅳ類，所處位置屬于設計地震第二組，地震峰值加速度為0．15g ( 相當于地震基

本烈度7 度) ，由表2 可知本橋的地震動反應譜特征周期采用0．75 s。

表2 地震動反應譜特征周期 s

2．2 反應譜分析

依據(jù)我國現(xiàn)行鐵路工程抗震設計規(guī)范，地震作用反應譜計算公式為［2］

圖4 多遇地震加速度反應譜曲線

式中，T 為橋梁結(jié)構(gòu)的基本周期，Tg為橋梁場地的特征周期，Tg= 0．75 s。由表3 可知，水平地震影響系數(shù)最大值α =0．05。結(jié)構(gòu)的阻尼比取為ξ =0．05。選用抗震設防烈度為7 度的多遇地震加速度反應譜曲線如圖4 所示。

表3 水平地震影響系數(shù)最大值

2．3 動態(tài)時程分析

地震作用下結(jié)構(gòu)動力平衡方程式

式中，［M］、［C］、［K］分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣;{ ¨U}、{ ˙U}、{U} 為質(zhì)點加速度、速度和位移陣列;{ ¨Ug} 為地面運動加速度陣列。

由于地面振動加速度是復雜的隨機函數(shù)，同時在彈塑性反應中剛度矩陣與阻尼矩陣亦隨時間變化，因此不可能求出解析解，只能采取數(shù)值分析方法逐步積分法進行求解，先將式(2) 轉(zhuǎn)變成增量方程式(3) ，再對增量方程逐步積分求解。式中各符號含義同式(2) 。

地震加速度時程曲線，應滿足頻譜特性、加速度峰值和持續(xù)時間這三個要素的要求［3-4］。依據(jù)該橋的設防烈度及標準，選擇具有代表性的天津波進行結(jié)構(gòu)的線性時程分析，分析中參照工程場地的設計地震動參數(shù)( 地震動加速度峰值為0．15g) 對天津波進行了調(diào)整，該橋的最大基頻為2．116 7 Hz，基本周期為0．472 4 s，一般地震持續(xù)時間不小于結(jié)構(gòu)基本周期的5 倍，故計算時間取為10 s，積分時間步長取為0．02 s。所選地震波持時及加速度時程記錄如圖5 所示。

圖5 天津波時程記錄

3 計算結(jié)果分析

3．1 振動特性

采用Block Lanczos 算法計算橋梁結(jié)構(gòu)的振動特性，表4 給出了津濱輕軌橋墩托換前及托換后橋梁的前10 階頻率和振型。

分析表4 可知:

(1) 津濱輕軌橋墩托換前橋梁的最大周期為0．472 4 s，橋墩托換后橋梁的最大周期為0．425 3 s，均小于5 s，不屬于長周期。

(2) 輕軌橋梁托換前的自振頻率值均小于托換后的，第一階相差0．234 6 Hz，第二階相差0．637 6 Hz，第三階相差0．856 9 Hz 等，表明托換后橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度增加了。

(3) 托換后輕軌橋梁的第一階振型是托換前橋梁結(jié)構(gòu)的第二階振型，托換后輕軌橋梁的第三階振型是托換前橋梁的第二階振型，說明托換后橋梁結(jié)構(gòu)的“薄弱環(huán)節(jié)”滯后了。

3．2 地震響應分析

經(jīng)分析驗算得知，當振型階數(shù)取為100 階時，反應譜分析得到的結(jié)果趨于穩(wěn)定，能夠滿足精度要求。表5 給出了取前100 階振型在順橋向或橫橋向地震激勵下托換前后輕軌橋梁墩底最大內(nèi)力和墩頂最大位移。

表5 地震響應計算結(jié)果

時程分析時，將所選天津波分別從順橋向和橫橋向輸入，表5 列出了順橋向和橫橋向地震波激勵下托換前后輕軌橋梁墩底最大內(nèi)力和墩頂最大位移。表中工況1 為采用反應譜方法分析托換前的橋梁結(jié)構(gòu)，工況2 為采用反應譜方法分析托換后的橋梁結(jié)構(gòu)，工況3 為采用時程方法分析托換前的橋梁結(jié)構(gòu)，工況4 為采用時程方法分析托換后的橋梁結(jié)構(gòu)。

從表5 可以看出，托換前后輕軌橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應具有以下特點:

(1) 采用反應譜方法得到的橋梁結(jié)構(gòu)地震響應數(shù)值均小于采用時程方法得到的結(jié)果，但數(shù)據(jù)變化規(guī)律是相同的，兩種方法計算結(jié)果的差異可能源于計算原理和時間步長的選取。

(2) 托換后輕軌橋梁墩底最大彎矩值和墩底最大剪應力值普遍較托換前增加了，其中A340#的增幅最大，橫橋向比順橋向的增幅小，而墩頂最大位移值則普遍較托換前減小了，其中A340#的減幅最大，橫橋向比順橋向的減幅小，說明托換后的A340#縱橫向剛度均有較大幅度的增加，但橫橋向沒有順橋向的增幅大。

(3) 托換之前，制動墩A339#和A342#的墩底最大彎矩值和墩底最大剪應力值在其所在一聯(lián)中為最大，托換之后，A340#的墩底最大彎矩值和墩底最大剪應力值與A339#的接近，這是由于相鄰的A339#和A340#同時被托換且都與托換大梁固結(jié)。

4 結(jié)論

采用ANSYS 建立了橋墩托換前及托換后的津濱輕軌橋梁模型并分析振動特性，采用反應譜方法和時程方法分別分析了托換前后輕軌橋梁的地震響應，得到如下結(jié)論:

(1) 被托換的兩個橋墩剛度增加導致托換之后的橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度比托換之前增加了，且振型模態(tài)有所變化。

(2) 托換前主要由制動墩A339#、A342#墩承擔的地震荷載，托換后由A339#、A340#、A342#墩共同承擔。

(3) 地震荷載作用下，托換后兩個橋墩墩頂?shù)淖畲笪灰浦禍p小了，但其墩底的彎矩和剪力卻大幅增加，由于設計采取了不僅可以提高固結(jié)點傳荷能力，而且能夠增強結(jié)構(gòu)延性對抗震有利的措施，故托換后的輕軌橋梁具有較好的抗震性能。

［1］范立礎(chǔ)．橋梁抗震［M］．上海:同濟大學出版社，1997．

［2］中華人民共和國鐵道部．GB50111—2006 鐵路工程抗震設計規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2006．

［3］朱永生，勞遠昌，沈大元，等．橋梁地震反應分析中輸入地震波的確定［J］．橋梁建設，2000(3) :1-4．

［4］李光輝．大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋空間地震反應分析［D］．四川:西南交通大學土木工程學院，2005．