大跨度鐵路曲線剛構(gòu)橋靜力及動(dòng)力行為分析

趙愛國， 唐 捷

(山東高速四川產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，四川樂山 614000)

大跨度鐵路曲線剛構(gòu)橋靜力及動(dòng)力行為分析

趙愛國， 唐 捷

(山東高速四川產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，四川樂山 614000)

論文以某高鐵特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，?jì)算分析鐵路高墩大跨長聯(lián)曲線連續(xù)剛構(gòu)橋施工過程和成橋運(yùn)營階段的靜動(dòng)力效應(yīng)。文章建立了詳細(xì)的橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型，對結(jié)構(gòu)位移、結(jié)構(gòu)應(yīng)力和樁基應(yīng)力進(jìn)行了分析。考慮樁基與土的周期性相互作用，在結(jié)構(gòu)與土體間采用接觸單元進(jìn)行模擬。通過對結(jié)構(gòu)位移和上部結(jié)構(gòu)、橋臺(tái)、樁基的詳細(xì)應(yīng)力分析，對大跨度鐵路曲線橋梁的力學(xué)行為有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，所得結(jié)論可為該類型橋梁的詳細(xì)設(shè)計(jì)提供有益參考。

連續(xù)剛構(gòu)； 模型； 計(jì)算； 自振； 反應(yīng)譜

連續(xù)剛構(gòu)橋兼有連續(xù)梁與T型剛構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，橋型簡潔明快，結(jié)構(gòu)整體性好，梁體連續(xù)，行車舒適；墩梁固結(jié)，不設(shè)支座，施工方便；柔性橋墩使其順橋方向抗推剛度小而形成擺動(dòng)支承體系，可較好地適應(yīng)結(jié)構(gòu)由預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮、徐變和溫度變化引起的縱向位移，因此常用于大跨、高墩結(jié)構(gòu)[1-3]。

國內(nèi)外學(xué)者對曲線梁橋受力特點(diǎn)進(jìn)行了廣泛深入的研究，已形成了較為有效的計(jì)算方法。但隨著曲線梁橋半徑越來越小，新的問題不斷涌現(xiàn)，需要對小半徑曲線橋的典型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)。

本文背景工程為某鐵路曲線連續(xù)剛構(gòu)橋特大橋，線路設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h，設(shè)計(jì)荷載為雙線ZK活載，受地形限制采用了600 m小半徑平面曲線，跨徑組合為(40+6×80+40) m，主橋總體布置見圖1。主橋墩臺(tái)編號從左到右依次為1～9號墩，1號墩為交界墩。主橋墩高及墩梁連接情況見表1，其中3號墩最高，墩高為89 m，4～6號橋墩與主梁固結(jié)。

為研究鐵路曲線剛構(gòu)橋的力學(xué)行為，本文對依托工程進(jìn)行了靜力和動(dòng)力分析，并得出相關(guān)結(jié)論。

圖1 橋梁立面布置

1 計(jì)算方法

1.1 有限元詳細(xì)模型

本次研究對象為曲線連續(xù)剛構(gòu)橋，同時(shí)受到不同方向的荷載作用，本文應(yīng)用MIDAS/CIVIL建立全橋空間結(jié)構(gòu)計(jì)算分析模型，共計(jì)2 060個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 932個(gè)梁單元，分別利用彈性連接、主從連接、一般支承、節(jié)點(diǎn)彈性支承等邊界單元模擬了梁部與橋墩間、承臺(tái)與樁基礎(chǔ)的連接、樁底固結(jié)、樁-土共同作用等邊界條件。全橋有限元模型見圖2。

圖2 全橋有限元模型

主梁混凝土采用C55，鋼絞線抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa、公稱直徑為15.20 mm，預(yù)應(yīng)力鋼束采用12φ15.2的鋼束，梁體普通鋼筋采用HPB235和HRB335。主梁典型截面見圖3。

圖3 主梁墩頂中支點(diǎn)處截面(單位: cm)

為了更準(zhǔn)確地對本橋的動(dòng)力特性進(jìn)行分析，在動(dòng)力分析中應(yīng)考慮樁-土共同作用。假定土介質(zhì)是線彈性的連續(xù)介質(zhì)，等代彈簧剛度由土介質(zhì)的動(dòng)力m值計(jì)算。

1.2 荷載作用

計(jì)算分析考慮橋梁施工階段和運(yùn)營兩個(gè)階段，該橋設(shè)計(jì)最終采用以下施工順序：首先施工各基礎(chǔ)及橋墩，然后在各主墩墩頂依次施工0號塊，懸灌1～9號段直至將要合攏；主橋合攏順序?yàn)槭紫群蠑n1、8跨邊跨，然后合攏2、7跨，再合攏3、6跨，最后合攏4、5剛構(gòu)主跨，從而完成全橋合攏。

運(yùn)營階段除恒載作用，還承受列車活載、制動(dòng)力、離心力、搖擺力等荷載作用(表1)，必須對各種可能出現(xiàn)的荷載進(jìn)行計(jì)算，并按照最不利情況進(jìn)行組合(表2)，以計(jì)算和驗(yàn)證橋梁在最不利情況下的安全性[4-7]。

表1 運(yùn)營階段計(jì)算荷載表

表2 荷載組合

2 靜力計(jì)算結(jié)果

2.1 施工階段計(jì)算結(jié)果

整個(gè)橋跨施工共分為57個(gè)施工步驟，整個(gè)過程(包括各施工子步)上緣最大壓應(yīng)力14.5 MPa，最大拉應(yīng)力0.24 MPa；下緣最大壓應(yīng)力11.3 MPa，最大拉應(yīng)力0.95 MPa。根據(jù)規(guī)范[23]可知，施工階段混凝土拉應(yīng)力應(yīng)不大于0.7 fct=2.31 MPa，壓應(yīng)力應(yīng)不大于0.75 fc=27.75 MPa，故各階段梁部應(yīng)力均在規(guī)范容許范圍內(nèi)。梁部應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表3。

施工階段3號墩豎向壓縮量累計(jì)-3.42 cm，此外收縮徐變引起豎向位移-1.88 cm。

2.2 荷載組合工況計(jì)算結(jié)果

4種荷載組合作用下，梁部各控制截面均受壓，最大壓應(yīng)力為10.5 MPa，最小壓應(yīng)力為1.38 MPa，在規(guī)范限值之內(nèi)；橋墩的最大拉應(yīng)力為1.93 MPa，最大壓應(yīng)力為6.07 MPa，為10號墩頂處，墩身截面出現(xiàn)的拉應(yīng)力可通過加強(qiáng)配筋解決。

表3 梁部應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

主+附3組合主梁上、下緣應(yīng)力包絡(luò)圖見圖4、圖5。

圖4 主+附3組合主梁下緣應(yīng)力包絡(luò)(單位:MPa)

圖5 主+附3主梁上緣應(yīng)力包絡(luò)圖(單位:MPa)

3 自振特性計(jì)算分析

3.1 自振特性

固有頻率和振型是結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算分析中的最基本、最重要參數(shù)，可以通過模態(tài)分析來確定。本節(jié)根據(jù)前文建立的考慮樁-土作用的施工全過程仿真模型，采用Lanczos向量迭代法，對結(jié)構(gòu)在成橋狀態(tài)下的自振特性進(jìn)行計(jì)算，得到結(jié)構(gòu)前8階自振頻率、周期和振型特征的結(jié)果(表4)。

表4 自振特性結(jié)果

3.2 反應(yīng)譜分析

該橋采用“周期-加速度”反應(yīng)譜分析方法，地質(zhì)條件以砂巖夾頁巖和頁巖夾泥質(zhì)灰?guī)r為主，依據(jù)GB 18306-2015《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》確定場地條件為Ⅱ類場地，地震反應(yīng)譜特征周期取為0.35 s，設(shè)計(jì)水平地震基本加速度為0.05g，分析使用的反應(yīng)譜為GB 50111-2006《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的反應(yīng)譜，阻尼比ξ為0.05。

振型組合采用SRSS組合方法。按照抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，反應(yīng)譜分析中振型的有效質(zhì)量的總和應(yīng)達(dá)總質(zhì)量的90 %以上。本文取前350階振型進(jìn)行組合，縱橫向振型分量達(dá)到89 %的總質(zhì)量，豎向分量超過了96 %的總質(zhì)量。

三種工況下，橋墩最大壓應(yīng)力為2.10 MPa，最大拉應(yīng)力為0.96 MPa(圖6)，滿足規(guī)范要求，橋梁在地震作用下應(yīng)力均符合要求，可認(rèn)為此橋具有抵抗橋址處設(shè)計(jì)地震動(dòng)水平的能力。

另外，梁部的組合應(yīng)力分布基本一致，最大組合壓應(yīng)力9.36 MPa，最小為2.90 MPa，沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，由此說明梁部地震作用下響應(yīng)較小，梁部應(yīng)力中恒載仍占主導(dǎo)地位。

圖6 恒+縱向地震組合橋墩最大應(yīng)力(單位：MPa)

4 結(jié)論

通過結(jié)構(gòu)檢算，主要有如下結(jié)論和建議：

(1)施工階段梁部C55混凝土拉應(yīng)力應(yīng)不大于0.7 fct=2.31 MPa，壓應(yīng)力應(yīng)不大于0.75 fc=27.75 MPa，故各階段梁部應(yīng)力均在規(guī)范容許范圍內(nèi)。

(2)運(yùn)營階段，4種荷載組合作用下，梁部各控制截面均受壓，最大壓應(yīng)力為10.5 MPa，最小壓應(yīng)力為1.38 MPa；橋墩的最大拉應(yīng)力為1.93 MPa，最大壓應(yīng)力為6.07 MPa，墩身截面出現(xiàn)的拉應(yīng)力可通過加強(qiáng)配筋解決。。

(3)橋梁一階振型為縱彎，頻率為0.444 Hz。

[1] 馬保林，李子青. 高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋[M]. 北京：人民交通出版社，2001.

[2] 周軍生，樓莊鴻. 大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]. 中國公路學(xué)報(bào)，2000，13(1)：31-37.

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[4] TB 10002.1-2005 鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S]. 北京：中國鐵道出版社，2005.

[5] TB 10002.3-2005 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：中國鐵道出版社，2005.

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[7] 顏娟，張哲，黃才良. 廣東金馬大橋動(dòng)力分析[J]. 公路交通科技，2003, 20(1)：71-73.

注冊建造師管理新規(guī)征求意見(二)

取得二級建造師資格證書的人員申請注冊，由省、自治區(qū)、直轄市人民政府住房城鄉(xiāng)建設(shè)主管部門負(fù)責(zé)受理和審批。

規(guī)定同時(shí)明確，注冊證書有效期為5年。申請人有受聘于兩個(gè)或者兩個(gè)以上單位的及受到刑事處罰、刑事處罰尚未執(zhí)行完畢等10條情形之一的，不予注冊。注冊建造師有聘用單位破產(chǎn)、已與聘用單位解除聘用合同關(guān)系、注冊有效期滿且未延續(xù)注冊等7種情形之一的，其注冊證書失效。

在“執(zhí)業(yè)”章節(jié)中，規(guī)定明確，注冊建造師要在其注冊證書所注明的專業(yè)范圍內(nèi)從事建設(shè)工程施工管理活動(dòng)。工程施工項(xiàng)目負(fù)責(zé)人和技術(shù)負(fù)責(zé)人須由本專業(yè)注冊建造師擔(dān)任。一級注冊建造師可擔(dān)任大、中、小型工程施工項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，二級注冊建造師可以承擔(dān)中、小型工程施工項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。其中，大、中型工程施工項(xiàng)目負(fù)責(zé)人和技術(shù)負(fù)責(zé)人不得由一名建造師兼任。注冊建造師不得同時(shí)擔(dān)任兩個(gè)及以上建設(shè)工程施工項(xiàng)目負(fù)責(zé)人和項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人。

在“法律責(zé)任”章節(jié)中，規(guī)定明確，隱瞞有關(guān)情況或者提供虛假材料申請注冊的，住房城鄉(xiāng)建設(shè)主管部門不予受理或者不予注冊，1年內(nèi)不得再次申請注冊，作為不良記錄計(jì)入誠信檔案。

以欺騙、賄賂等不正當(dāng)手段取得注冊證書的注冊建造師，由注冊機(jī)關(guān)撤銷其注冊，3年內(nèi)不得再次申請注冊。

聘用單位為申請人提供虛假注冊材料的，由縣級以上地方人民政府住房城鄉(xiāng)建設(shè)主管部門或者其他有關(guān)部門給予警告，并處以1萬元以上3萬元以下的罰款。其不良行為記入信用檔案。

摘自《中國建設(shè)報(bào)》

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[定稿日期]2017-08-07