高烈度震區(qū)中低速磁浮交通T形剛構(gòu)橋設計

蔣 霏

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

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高烈度震區(qū)中低速磁浮交通T形剛構(gòu)橋設計

蔣 霏

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

中低速磁懸浮交通具有環(huán)保、安全性高、轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強、建設成本低等優(yōu)點，在城市軌道交通發(fā)展建設中前景廣闊。T形剛構(gòu)是目前我國最常用的大跨徑橋形之一，能夠適應特殊的地形情況或市政規(guī)劃要求。以北京中低速磁懸浮交通線路S1線工程設計為例，對位于高烈度震區(qū)的(54+54)m的預應力混凝土T形剛構(gòu)橋開展結(jié)構(gòu)設計研究，并進行剛壁墩在罕遇地震下的延性抗震驗算。

中低速磁浮交通T形剛構(gòu) 結(jié)構(gòu)設計 延性設計 彈塑性分析

中低速磁懸浮交通具有環(huán)保、安全性高、爬坡能力強、轉(zhuǎn)彎半徑小、建設成本低等優(yōu)點，而橋梁結(jié)構(gòu)以工后沉降變形小、結(jié)構(gòu)耐久性好、適應性強、整體性好等特點在我國的工程交通項目中占據(jù)著越來越重要的位置。T形剛構(gòu)(以下簡稱T構(gòu))是目前我國最常用的幾種大跨徑橋形之一，具有強度、剛度可靠，同時養(yǎng)護工作量小、設計及施工經(jīng)驗成熟的特點，能夠適應特殊的地形情況或市政規(guī)劃要求。在中低速磁懸浮交通工程中，由于列車的活載類型和動力形式與傳統(tǒng)軌道交通項目不相同，常常會采用T形剛構(gòu)橋形式。對于高烈度震區(qū)的橋梁，需保證其抗震作用下的安全性。

因此，對高烈度震區(qū)中低速磁浮交通工程T形剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)設計進行研究，對保證T構(gòu)的經(jīng)濟性和安全性有重要的意義。

以北京中低速磁浮交通S1線工程(54+54) m預應力混凝土T構(gòu)橋為研究對象，研究高烈度震區(qū)T構(gòu)橋在磁浮交通項目中合理的結(jié)構(gòu)尺寸，并進行剛壁墩在罕遇地震下彈塑性時程響應分析和延性抗震驗算。

1 工程概述

北京中低速磁懸浮交通線路S1線為北京市首例中低速磁懸浮項目。結(jié)合規(guī)劃要求，采用2聯(lián)跨度為(54+54) m的T構(gòu)橋跨越三石路南延及規(guī)劃一路，兩聯(lián)T構(gòu)共用的聯(lián)間墩設置在規(guī)劃三石路南延的中央分隔帶。

2 主要技術(shù)標準

(1)設計速度：70 km/h。

(2)線路情況：雙線線間距范圍4.71～6.39 m。，線路縱斷面位于53‰的縱坡及平坡上，線路平面位于半徑R300 m的圓曲線及緩和曲線上。

(3)軌道類型：中低速F軌，軌頂至梁頂距離為1.4 m。

(4)設計活載：磁浮列車活載。

(5)二期恒載：采用104 kN/m。

(6)地震：地震基本烈度為Ⅷ度，動峰值加速度為0.2 g。

(7)設計使用年限：正常使用條件下結(jié)構(gòu)設計使用壽命為100年[1]。

3 結(jié)構(gòu)設計分析

3.1 梁部結(jié)構(gòu)構(gòu)造

梁部直接承受荷載，為結(jié)構(gòu)提供豎向剛度，因此梁部的主要參數(shù)是兩端部和根部的梁高。根據(jù)T構(gòu)橋的受力體系，主梁根部位置會有較大的負彎矩，一般情況下，均需要適當加大梁高。根據(jù)《預應力混凝土連續(xù)梁橋設計》[7]，預應力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)的跨中部位截面高度一般為跨度的1/30～1/50，支點部位截面高度可選用1/15～1/20。對比分析三跨常規(guī)連續(xù)剛構(gòu)和兩跨T構(gòu)(剛構(gòu)中跨跨徑與T構(gòu)跨徑相同)，T構(gòu)剛壁墩截面處負彎矩約為剛構(gòu)的1.95倍。因此，兩跨T構(gòu)的梁高應比同等跨徑的三跨連續(xù)剛構(gòu)橋更大。

經(jīng)比選后確定的梁部結(jié)構(gòu)尺寸如圖1～圖2所示。梁部為變截面預應力混凝土箱梁，采用單箱單室斜腹板截面，腹板斜率為3.5∶1，剛壁墩處梁高為480 cm，邊支點處梁高為250 cm；梁高按二次拋物線變化。橋面寬12.4 m；頂板厚度在梁端和剛壁墩頂局部加厚，其余均為35 cm；底板厚度35～90 cm，按拋物線變化；腹板厚度50～65～80 cm，按折線變化，端支點處腹板局部加厚到120 cm；全聯(lián)在邊支座和剛壁墩墩頂處共設3道橫隔板，橫隔板設過人孔。邊支座處隔板厚度1.5 m，剛壁墩處隔板厚度3.2 m。

圖1 T構(gòu)橋立面(單位：cm)

圖2 梁部橫截面(單位：cm)

3.2 墩梁固結(jié)區(qū)構(gòu)造

墩梁固結(jié)區(qū)域是T構(gòu)的主要受力區(qū)域，是T構(gòu)橋擴散應力、傳遞荷載的重要部位。通過有限元局部應力分析，在局部構(gòu)造設計中增加了橫隔板的橫向預應力，并加強了鋼筋配置。

3.3 墩身結(jié)構(gòu)構(gòu)造

本T構(gòu)的剛壁墩墩高10 m，結(jié)合項目整體特點，剛壁墩采用圓端形實體墩，縱向?qū)?.2 m，橫向?qū)?.37 m，采用方案如圖3所示。

圖3 剛壁墩橫截面(單位：cm)

3.4 梁部結(jié)構(gòu)計算

利用Midas/Civil程序，采用三維彈性空間梁單元進行有限元模擬計算分析。

由于磁浮列車較強的轉(zhuǎn)彎和爬坡能力，本T構(gòu)橋位于R=300 m的曲線和坡度為53‰的斜坡上，參考《鐵路小半徑曲線梁橋設計研究》[10]，考慮曲線梁橋的彎扭耦合效應和大縱坡對剛壁墩結(jié)構(gòu)受力的影響，T構(gòu)模型按照實際曲線半徑和橋面斜率進行模擬。橋梁支座的約束方向與曲線的徑向和法向保持一致。

計算模型如圖4所示。

圖4 全橋有限元模型

(1)梁部剛度

梁部剛度檢算結(jié)果如表1、表2所示。

表1 梁部豎向撓度檢算結(jié)果

表2 梁端轉(zhuǎn)角檢算結(jié)果

由表1～表2可知：梁部檢算的最大撓跨比和最大梁端轉(zhuǎn)角均滿足規(guī)范限值要求。

(2)梁部應力指標及設計安全系數(shù)

梁部應力指標及設計安全系數(shù)如表3所示。

表3 應力指標及設計安全系數(shù)

由表3可知：梁部檢算的應力指標及設計安全系數(shù)均滿足規(guī)范限值要求。

4 高烈度區(qū)橋墩延性設計分析

T構(gòu)橋的梁部結(jié)構(gòu)質(zhì)量大，橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應過程會產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形，有必要對結(jié)構(gòu)進行抗震設計和研究。根據(jù)《鐵路工程抗震設計規(guī)范》[5]要求，本T構(gòu)應采用彈塑性時程分析法進行罕遇地震作用下的抗震分析。從人工地震波擬合、自振特性分析及延性抗震驗算三個方面對本橋進行深入分析，以保證T構(gòu)的安全。

4.1 人工擬合規(guī)范反應譜地震時程

本項目抗震設計防烈度為Ⅷ度，場地土類別為II類，特征周期分區(qū)為一區(qū)，設計地震動峰值加速度值0.2g。本橋需進行彈塑性時程計算，以保證結(jié)構(gòu)安全。

地震波采用人工擬合方法得到，以規(guī)范反應譜曲線為目標，采用傅里葉變化迭代法進行人工地震波合成。通過合成，得到的人工地震動擬合反應譜曲線如圖5所示。

圖5 人工地震波與規(guī)范反應譜對比曲線

《公路橋梁抗震設計細則》[4]中要求，抗震計算所采用地震波時程曲線應不少于三組，且相關(guān)系數(shù)小于0.1，通過計算，生成的三條地震動之間的相關(guān)系數(shù)：1與2為0.017，2與3為0.067，1與3為0.04，均滿足規(guī)范要求。三條罕遇地震動時程曲線如圖6～圖8所示。

圖6 地震動時程曲線1(持時100 s；時間間隔0.02 s)

圖7 地震動時程曲線2(持時100 s；時間間隔0.02 s)

圖8 地震動時程曲線3(持時100 s；時間間隔0.02 s)

4.2 自振特性分析

自振特性分析采用蘭索斯法計算。T構(gòu)部分模態(tài)的頻率、周期和描述如表4所示，部分振形如圖9所示。

表4 自振特性

圖9 T構(gòu)橋部分振形

計算結(jié)果表明：三條地震波作用下剛壁墩墩底引起的最大彎矩為105 500 kN·m，引起的最大剪力為19 130 kN，墩頂引起的最大縱向位移為3.38 cm，結(jié)果時程曲線如圖10～圖12所示。剛壁墩的墩底截面彎矩-曲率關(guān)系曲線如圖13所示。分析表明：剛壁墩已進入到塑性狀態(tài)，混凝土開裂，外側(cè)縱筋屈服，應進一步進行延性比計算。

圖10 剛壁墩位移時程曲線

圖11 剛壁墩彎矩時程曲線

圖12 剛壁墩剪力時程曲線

圖13 剛壁墩墩底截面彎矩-曲率關(guān)系曲線

4.3 罕遇地震下橋墩延性抗震特性分析

上節(jié)計算結(jié)果表明：在罕遇地震下，T構(gòu)剛壁墩墩身構(gòu)件已經(jīng)進入到屈服階段。根據(jù)《鐵路工程抗震設計規(guī)范》[5]，應再對剛壁墩進行延性抗震驗算。

延性系數(shù)計算公式為

式中，μu表示非線性位移延性比；[μu]表示允許位移延性比，規(guī)范限值為4.8；Δmax表示橋墩的非線性響應最大位移；Δy表示橋墩的屈服位移。

三條罕遇地震波作用下剛壁墩的非線性位移延性比計算結(jié)果如表5所示。

表5 T構(gòu)剛壁墩位移延性比計算結(jié)果

由表5可知，剛壁墩塑性位移延性比最大值為1.36，滿足規(guī)范的延性比限值要求。

5 結(jié)束語

通過對北京中低速磁浮交通S1線(54+54) m預應力混凝土T構(gòu)橋的設計，對磁浮交通中經(jīng)常采用的T構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)尺寸、模型建立方法、罕遇地震下橋梁彈塑性地震時程響應分析方法開展深入研究，驗證了建模方法的有效性，保證了T構(gòu)橋控制構(gòu)件剛壁墩在罕遇地震下的結(jié)構(gòu)和延性安全性。所提出的建模分析方法對同類工程的設計提供了有益的參考。

[1] 中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005鐵路橋涵設計基本規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005

[2] 中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005

[3] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.GB 50157—2013地鐵設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013

[4] 中華人民共和國交通運輸部.JTG/T B02—01—2008公路橋梁抗震設計細則[S].北京：人民交通出版社，2008

[5] 中華人民共和國鐵道部.GB 50111—2006鐵路工程抗震設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，

[6] 中華人民共和國交通部.JTGD62—2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004

[7] 徐岳，王亞君，萬振江.預應力混凝土連續(xù)梁橋設計[M].北京:人民交通出版社，2000

[8] 禚一，王菲.罕遇地震下城際鐵路連續(xù)梁橋延性抗震設計[J].鐵道工程學報，2012(4):66-71

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The Design of T Type Rigid FrameBridge Low and Medium Speed Urban Maglev in High Intensity Earthquake

JIANG Fei

2016-09-26

蔣 霏(1985—)，2007年畢業(yè)于西南交通大學土木工程專業(yè)，工程師。

1672-7479(2016)06-0110-04

U448.23+1；U442.5+

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