連續(xù)梁-多框架墩體系地震反應(yīng)分析

譚 良

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處,天津 300142)

連續(xù)梁-多框架墩體系地震反應(yīng)分析

譚 良

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處,天津 300142)

連續(xù)梁-多框架墩結(jié)構(gòu)體系為客運(yùn)專線上為實(shí)現(xiàn)小角度立交跨越的新型結(jié)構(gòu)形式,通過(guò)進(jìn)行時(shí)程分析和反應(yīng)譜分析,確定結(jié)構(gòu)體系墩梁連接的合理形式,驗(yàn)證出結(jié)構(gòu)體系在高烈度震區(qū)多遇地震和罕遇地震作用下,擁有可靠的抗震性能。

連續(xù)梁;框架墩;反應(yīng)譜;時(shí)程分析

1 概況

某客運(yùn)專線上跨既有雙線鐵路,交叉角度僅有13.33°,凈空受限,采用7 -16m連續(xù)梁-多框架墩結(jié)構(gòu)跨越,主橋共采用5個(gè)框架墩,框架墩橫梁與線路方向成12°～15°法向角,橫梁高加墩柱高為14.3～15m。主橋平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 主橋平面布置

上部梁跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)采用鉆孔樁基礎(chǔ)?？蚣芏諜M梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),墩柱采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),立面布置見(jiàn)圖2。

橫梁除與立柱交接處及支承點(diǎn)處采用實(shí)體截面外,均采用箱形截面;墩柱采用矩形截面,向外一側(cè)縱向加弧,墩高方向呈上、下大,中間小的曲線線形,連續(xù)梁的其他次邊墩和聯(lián)間墩采用流線形圓端實(shí)體墩。

圖2 框架墩立面布置

連續(xù)梁 多框架墩體系屬于B類橋梁結(jié)構(gòu),重要性系數(shù)多遇地震作用下取1.5,罕遇地震作用下取1.0。橋梁所處地區(qū)地震設(shè)防烈度為8度,場(chǎng)地類別劃分為Ⅲ類,地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45s。

連續(xù)梁-多框架墩結(jié)構(gòu)體系是一個(gè)空間受力結(jié)構(gòu),采用MIDASCivil有限元程序進(jìn)行全橋抗震分析,梁部用板單元、橋墩及承臺(tái)采用梁?jiǎn)卧M,承臺(tái)底部按樁基礎(chǔ)計(jì)算剛度輸入,如圖3所示。

圖3 連續(xù)梁-多框架墩體系計(jì)算模型

2 墩梁連接形式分析

在此以前的框架墩設(shè)計(jì)中,上部結(jié)構(gòu)以簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)居多,連續(xù)梁與框架墩采用何種連接方式能更好地參與受力、獲得更好的抗震性能是結(jié)構(gòu)分析的重點(diǎn)。框架墩與上部連續(xù)梁的連接可分為3種方式:

(1)連續(xù)梁通過(guò)一個(gè)固定支座與下部橋墩相連,簡(jiǎn)稱單固定墩結(jié)構(gòu)體系;

(2)連續(xù)梁通過(guò)多個(gè)固定支座與下部橋墩相連,簡(jiǎn)稱多固定墩結(jié)構(gòu)體系;

(3)墩梁固結(jié),即框架墩的橫梁作為連續(xù)梁底板的一部分成為十字梁結(jié)構(gòu)體系。

按多遇地震考慮,采用時(shí)程分析方法對(duì)3種體系進(jìn)行比較,地震波時(shí)程分析數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 地震波時(shí)程分析數(shù)據(jù)

時(shí)程分析各框架墩在各種體系中的最大反應(yīng)結(jié)果列于表1。

表1 3種體系時(shí)程分析結(jié)果比較____________

通過(guò)上述結(jié)果進(jìn)行分析,3種體系的橫向地震力作用下受力差別不大,但單固定墩體系在縱向地震力下的受力和位移比其他2種體系大很多,若采用單固定墩體系,需大大加強(qiáng)固定墩的縱向剛度,而剛度加大一般情況下又加大了地震響應(yīng),因此采用單固定墩體系是不合理的;多固定墩體系和十字梁體系受力比較接近,采用十字梁體系結(jié)構(gòu)抗震、抗扭性較好,整體剛度大,能有效地降低結(jié)構(gòu)高度,但是受力計(jì)算較復(fù)雜,施工必須用支架現(xiàn)澆的方法,墩梁一次施工時(shí)間長(zhǎng),對(duì)既有線影響較大,相比較而言,多固定墩體系受力明確,墩、梁可分次施工,施工安全風(fēng)險(xiǎn)小。

框架墩為框架結(jié)構(gòu),加上受空間的限制和美觀協(xié)調(diào)性等方面的影響,單個(gè)墩柱往往不會(huì)具有特別大的剛度,采用多固定墩體系將縱向力作用分配在多個(gè)框架墩上,避免受力集中,減小橋墩縱向位移,是一種合理的結(jié)構(gòu)形式,而且各墩結(jié)構(gòu)尺寸基本一致,剛度和質(zhì)量分布勻稱,提高了全橋的抗震性能。需要注意的是,在墩高較小或墩柱縱向剛度特別大的時(shí)候,多固定墩之間上部結(jié)構(gòu)在溫度力作用下的變形是否能得到釋放,若不能滿足,則需要進(jìn)行梁部溫度跨度和墩柱剛度之間關(guān)系的研究分析,由于工點(diǎn)處為跨越既有線,墩柱較高,不受此條件限制。

因此,對(duì)于多孔的連續(xù)梁-多框架墩體系在墩柱剛度能滿足梁部溫度變形的前提下,應(yīng)盡量采用多個(gè)框架墩作為固定墩,按剛度分配縱向力作用,避免縱向地震作用力集中,可有效加強(qiáng)結(jié)構(gòu)體系的整體抗震性能。結(jié)合工點(diǎn)處的具體施工條件、地震烈度等地質(zhì)條件,采用常規(guī)墩梁支座連接的形式,取最中間的3個(gè)框架墩作為固定墩進(jìn)行抗震分析。

3 多遇地震作用下的地震反應(yīng)分析

采用多固定墩體系進(jìn)行分析比較,反應(yīng)譜分析下的地震反應(yīng)較時(shí)程分析的更大一些。框架墩橫梁為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),地震反應(yīng)并不明顯,在結(jié)構(gòu)體系中地震反應(yīng)最大的還是墩柱部分,反應(yīng)譜分析下的墩柱地震力作用如圖5～圖8所示。

圖5 縱向地震力作用下的剪力內(nèi)力圖(縱向)(單位:kN)

圖6 縱向地震力作用下的彎矩內(nèi)力圖(縱向)(單位:kN·m)

反應(yīng)譜分析下的最大地震反應(yīng)列于表2。

圖7 橫向地震力作用下的剪力內(nèi)力圖(橫向)(單位:kN)

圖8 橫向地震力作用下的彎矩內(nèi)力圖(橫向)(單位:kN·m)

表2 _反應(yīng)譜分析計(jì)算結(jié)果

綜合2種計(jì)算方法的分析結(jié)果可以得出,框架墩縱向地震力作用下受力和位移均比橫向地震力作用下不利;縱向地震力作用下最不利位置在3個(gè)固定墩前后2個(gè)墩的近線路端墩柱底部;橫向作用最不利位置為3個(gè)固定墩靠小里程框架墩的遠(yuǎn)線路端墩柱底部。由此可見(jiàn),框架墩的平面布置對(duì)其抗震性能有很大影響,內(nèi)力圖中3個(gè)固定墩的中間墩2個(gè)墩柱基本對(duì)稱線路布置,其所受作用比較均勻,相比前后2個(gè)固定墩,其內(nèi)力值反而小;前后2個(gè)固定墩因質(zhì)量在2個(gè)墩柱上的不均勻分配引起2個(gè)墩柱地震響應(yīng)的非對(duì)稱分布,因此,在框架墩橫梁跨度較大時(shí),應(yīng)控制框架墩在線路中心兩側(cè)的橫梁跨度比,避免地震響應(yīng)過(guò)于集中在一側(cè)墩柱。另外,框架墩墩柱地震力作用下的縱向彎矩為從上到下線形加大,而橫向彎矩成上下大、中間小的啞鈴形狀,墩中局部區(qū)域受地震力作用較小,墩柱結(jié)構(gòu)尺寸可根據(jù)其受力特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

從計(jì)算結(jié)果比較來(lái)看,結(jié)構(gòu)體系在反應(yīng)譜分析下較時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果受力更大,地震響應(yīng)更為明顯,可見(jiàn)進(jìn)行連續(xù)梁-框架墩設(shè)計(jì)時(shí)采用反應(yīng)譜方法進(jìn)行抗震分析,能保證結(jié)構(gòu)的安全性。

將反應(yīng)譜分析下的縱、橫向地震力與恒載、活載組合,分別按有車(chē)、無(wú)車(chē)進(jìn)行框架墩的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。橋上有車(chē)時(shí),順橋向檢算不計(jì)算活載引起的地震力,橫橋向檢算計(jì)入50%的活載引起的地震力。計(jì)算得出墩柱配筋率在1.36% ～2.08%,墩柱最大拉應(yīng)力為243.4 MPa。橫梁在地震力組合作用下,截面均為壓應(yīng)力,應(yīng)力值在1.28～7.54MPa。

4 延性設(shè)計(jì)

按照鐵路抗震規(guī)范中關(guān)于延性設(shè)計(jì)的要求,框架墩墩柱全截面最小配筋率為1.36%,最大配筋率為2.08%,均介于0.5%～4%;框架墩底部箍筋加強(qiáng),按10cm間距布置,其余部位間距15cm,箍筋直徑16 mm。根據(jù)配筋設(shè)置進(jìn)行延性計(jì)算,來(lái)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)體系在罕遇地震作用下的性能。

由于罕遇地震作用下,結(jié)構(gòu)體系不能再維持彈性的工作狀態(tài),而進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài)的只能是框架墩本身。根據(jù)鐵路抗震規(guī)范中“表5.2-1鐵路橋梁設(shè)防目標(biāo)及分析方法”的規(guī)定,按照非線性時(shí)程反應(yīng)分析法進(jìn)行框架墩的延性驗(yàn)算和最大位移分析。對(duì)框架墩進(jìn)行罕遇地震作用下的動(dòng)力彈塑性分析,延性驗(yàn)算應(yīng)滿足下列要求

式中 μu——非線性位移延性比;

[μu]——允許位移延性比,取值為4.8;

Δmax——橋墩的非線性響應(yīng)最大位移;

Δy——橋墩的屈服位移。

非線性時(shí)程分析仍采用MIDAS進(jìn)行建模計(jì)算,經(jīng)過(guò)上述計(jì)算分析,可以判斷,框架墩頂、底位置為可能出現(xiàn)塑性鉸位置,對(duì)墩頂、底可能屈服區(qū)域的截面分別進(jìn)行非彈性鉸的模擬,混凝土和鋼筋材料分別根據(jù)合理的滯后模型定義,并完全按照施工圖框架墩墩柱配筋圖對(duì)截面進(jìn)行線性分割。因縱向地震作用結(jié)構(gòu)體系地震反應(yīng)比較明顯,故只對(duì)墩柱進(jìn)行縱向地震反應(yīng)分析。

罕遇地震縱向力作用下,墩底為發(fā)生塑性鉸區(qū)域,最不利截面彎矩-轉(zhuǎn)角曲線如圖9所示。

圖9 彎矩-轉(zhuǎn)角曲線

縱向地震力作用下受壓端均處于彈性工作范圍內(nèi),受拉端截面保護(hù)層混凝土將退出工作,但并未顯示破碎。受拉側(cè)主筋在不同的時(shí)程點(diǎn)均有可能屈服,最先屈服的為截面角點(diǎn)處鋼筋,鋼筋應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖10所示。

鋼筋達(dá)到屈服強(qiáng)度后,應(yīng)力、應(yīng)變?cè)黾恿烤苄?可認(rèn)為鋼筋應(yīng)力未超出屈服階段,且鋼筋在卸載后基本上維持線彈性工作,截面仍然有一定剛度可繼續(xù)發(fā)揮作用。

圖10 屈服鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)計(jì)算橋墩的屈服位移為0.0448m,罕遇地震縱向力作用下框架墩最大縱向位移為0.052m,計(jì)算得出延性比1.16,可得縱向地震力作用下,延性驗(yàn)算滿足要求。

綜上所述,連續(xù)梁-多框架墩體系具有達(dá)到罕遇地震要求的抗震性能。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)根據(jù)對(duì)框架墩地震受力分析,得出連續(xù)梁-多框架墩體系采用多個(gè)框架墩作為固定墩是一種合理的結(jié)構(gòu)形式,可有效加強(qiáng)結(jié)構(gòu)體系的整體抗震性能。

(2)從反應(yīng)譜分析和時(shí)程反應(yīng)分析的結(jié)果得出,多遇地震作用下,連續(xù)梁-多框架墩體系具有較好的抗震性能;框架墩在平面上的不對(duì)稱性,使得框架墩在地震力作用下的地震反應(yīng)不對(duì)稱,故在進(jìn)行橋墩設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量控制橫梁跨度和框架墩在上部結(jié)構(gòu)支撐中心兩側(cè)的橫梁跨度比,避免地震作用過(guò)于集中。

(3)通過(guò)非線性時(shí)程分析,連續(xù)梁-多框架墩體系能達(dá)到罕遇地震作用下的抗震要求。

(4)根據(jù)規(guī)范要求應(yīng)按設(shè)計(jì)地震考慮對(duì)連接構(gòu)造進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算,應(yīng)結(jié)合支座設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)分析檢算。

(5)現(xiàn)在,抗震計(jì)算以外,抗震概念設(shè)計(jì)和抗震構(gòu)造設(shè)計(jì)擺在了更重要的位置。以往的鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)除了結(jié)構(gòu)本身的安全分析,對(duì)于抗震措施的設(shè)置考慮較少,處于高烈度震區(qū)的連續(xù)梁-多框架墩體系在防落梁裝置、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及各部連接構(gòu)造等方面應(yīng)注意加強(qiáng)。

[1] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10621—2009 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2009.

[2] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2005.

[3] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10002.5—2005 鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2005.

[4] 中華人民共和國(guó)鐵道部.GB50111—2006 鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2009.

[5] 田萬(wàn)俊.預(yù)應(yīng)力混凝土框架墩設(shè)計(jì)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì), 2003(8):67 -69.

[6] 孫樹(shù)禮.高速鐵路橋梁設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2011.

[7] 鐵道部第三勘測(cè)設(shè)計(jì)院.橋梁地基和基礎(chǔ)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1991.

[8] 陳克堅(jiān),袁明.汶川地震后對(duì)鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)有關(guān)問(wèn)題的思考[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2008(S):176 -180.

[9] 高宗余,李龍安,屈愛(ài)平.汶川大地震對(duì)鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)的啟示與建議[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2008(12):183 -189.

[10]柳春光.橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)與抗震性能分析[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2009.

[11]范立礎(chǔ).橋梁抗震[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1997.

Seismic Response Analysis of Continuous Beam with Multiple Framed Piers System

TAN Liang
(Bridge Design Department of the Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation, TianJin 300142, China)

The structure system of continuous beam with multiple framed piers is a new structure form in railway passenger-dedicated line,which is suitable for the spanning of grade separation with a small angle.By means of response spectrum analysis and time history analysis,this paper confirms the reasonable connection form between the beam and the pier of the composite structure,and verifies that the structure can has reliable seismic performances under the actions of frequent earthquakes and strong earthquakes respectively in high seismic intensity regions.

continuous beam;framed pier;response spectrum;time history analysis

U238;U442.5+5

A

1004 -2954(2012)11 -0042 -03

2012-06-13

譚 良(1980—),男,工程師,2003年畢業(yè)于西南交通大學(xué)土木工程專業(yè),工學(xué)學(xué)士,E-mail:tanl_0@163.com。