城市軌道交通連續(xù)梁拱抗震性能分析

何建梅，郭 敏

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引言

城市軌道交通高架橋的抗震性能不僅關(guān)系到城市的交通秩序的健康穩(wěn)定,而且更是人們生命安全的重要保障。因此，對城市軌道交通高架橋梁抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行具體的分析，不僅具有重要的理論意義，而且也同樣具有很高的實(shí)際價(jià)值?，F(xiàn)針對連續(xù)梁拱的結(jié)構(gòu)特性，通過設(shè)置減隔震支座，在罕遇地震作用下使得結(jié)構(gòu)達(dá)到抗震性能I的要求，結(jié)構(gòu)基本處于彈性工作狀態(tài)，地震后不損壞或輕微損壞，能夠保持其正常使用功能[1，2]。

1 結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型

某橋?yàn)?5 m+85 m+35 m的下承式連續(xù)梁拱組合體系橋梁，中跨拱結(jié)構(gòu)跨徑85 m，兩側(cè)邊跨跨徑為35 m。主跨矢跨比為1∶6，拱肋矢高14.167 m，拱肋軸線為拋物線。橋面寬12 m（見圖1）。

圖1連續(xù)梁拱支點(diǎn)橫斷面圖

該連續(xù)梁拱橋按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50111）進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，抗震設(shè)防類別劃為B類。地震作用應(yīng)符合所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度7度的要求；抗震設(shè)防措施等級為7度。該橋場區(qū)所屬的設(shè)計(jì)地震分組為第一組，特征周期為0.65 s，場地土類型為軟弱場地土，建筑場地類別為Ⅳ類。

采用midas有限元程序建立35 m+85 m+35 m連續(xù)梁拱彈塑性動(dòng)力計(jì)算模型，如圖2所示。主梁、拱肋和橋墩采用三維梁單元，吊桿采用只受拉的桁架單元，二期恒載和橫梁自重作為梁單元附加質(zhì)量?？紤]相鄰邊界條件的影響，在計(jì)算模型連續(xù)梁拱兩邊各建3跨簡支梁段。

圖2 連續(xù)梁拱彈塑性動(dòng)力計(jì)算模型

在有限元計(jì)算模型中，主梁與橋墩之間的連接關(guān)系，以及樁基礎(chǔ)的邊界條件按實(shí)際受力特征進(jìn)行相應(yīng)的模擬。將連續(xù)梁拱主橋采用軌道橋梁專用鉛芯隔震橡膠支座的結(jié)構(gòu)簡稱為“隔震結(jié)構(gòu)”，支座非線性單元可簡化為雙線性恢復(fù)力力學(xué)模型進(jìn)行模擬，樁基礎(chǔ)用節(jié)點(diǎn)彈性支撐模擬（見圖3）。

圖3 連續(xù)梁拱支座布置圖

采用靜力彈塑性pushover方法進(jìn)行分析，觀察該橋在縱向水平力作用下，只有墩底出現(xiàn)塑性鉸；在橫向水平力作用下，首先在Y墩的Y叉底出現(xiàn)塑性鉸，接著Y叉頂，最后墩底出現(xiàn)塑性鉸。全橋的動(dòng)力彈塑性分析模型中塑性鉸設(shè)置如圖4、圖5所示。

圖4 縱向罕遇地震分析塑性鉸模型

圖5 橫向罕遇地震分析塑性鉸模型

2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

根據(jù)建立的動(dòng)力計(jì)算模型，采用多重Ritz向量法求解橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性。成橋階段前8階結(jié)構(gòu)自振頻率及相應(yīng)振型如表1所列。

表1各階振型模態(tài)特性一覽表

為確保行車的舒適性及安全性，軌道交通橋梁在設(shè)計(jì)上應(yīng)使橋梁結(jié)構(gòu)橫向自振頻率盡可能避開列車蛇形運(yùn)動(dòng)頻率（約0.6～0.8 Hz）。通過動(dòng)力特性分析可知：連續(xù)梁拱采用減隔震支座后橫向基頻為1.07185 Hz，可滿足要求。

3 動(dòng)力彈塑性計(jì)算結(jié)果分析

3.1 判斷屈服狀態(tài)

根據(jù)該橋縱橫向時(shí)程分析結(jié)果，采用軌道橋梁專用鉛芯隔震橡膠支座，縱向及橫向罕遇地震作用下，全橋塑性鉸均未屈服（見表2）。

表2 墩底屈服狀態(tài)判別一覽表

3.2 罕遇地震下吊桿狀況

罕遇地震作用下，吊桿最大軸力出現(xiàn)在邊吊桿，吊桿力最大值為874 kN，最大拉應(yīng)力為330 MPa，吊桿的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為 0.9×1860=1674（MPa），因而吊桿的強(qiáng)度系數(shù)為5.07＞2.5，滿足規(guī)范要求。

在罕遇地震作用下吊桿應(yīng)力最大幅值出現(xiàn)在橫向地震作用工況，中吊桿疲勞應(yīng)力幅達(dá)165 MPa。該項(xiàng)設(shè)計(jì)采用GJ鋼絞線整束擠壓拉索體系，應(yīng)力幅允許值為250 MPa，吊桿疲勞應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 罕遇地震支座強(qiáng)度及位移驗(yàn)算

根據(jù)廠家提供的鉛芯橡膠支座技術(shù)參數(shù)，鉛芯橡膠支座水平極限承載力=豎向承載力×30%，極限剪切位移量=總膠層厚度×300%。

GDGZ3500×110型支座：水平極限承載力1050 kN＞最大水平力957 kN，極限剪切位移量=470 mm＞最大剪切位移11.8 mm；

GDGZ20000×180型支座：水平極限承載力6000 kN≈最大水平力6192 kN，極限剪切位移量=770 mm＞最大剪切位移1 mm。

支座滿足規(guī)范抗震驗(yàn)算要求。

4 結(jié)語

通過對35 m+85 m+35 m連續(xù)梁拱橋梁結(jié)構(gòu)采用軌道橋梁專用鉛芯隔震橡膠支座進(jìn)行時(shí)程分析，得到以下結(jié)論：

（1）采用軌道橋梁專用鉛芯隔震橡膠支座后，在罕遇地震作用下，全橋橋墩塑性鉸均處于開裂未屈服狀態(tài)。

（2）罕遇地震作用下，吊桿最大軸力出現(xiàn)在邊吊桿，吊桿的強(qiáng)度系數(shù)滿足規(guī)范要求，吊桿應(yīng)力最大幅值滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）在罕遇地震作用下支座水平極限承載力、極限剪切位移均滿足驗(yàn)算要求。

綜上，35 m+85 m+35 m連續(xù)梁拱橋梁結(jié)構(gòu)采用軌道橋梁專用鉛芯隔震橡膠支座后，結(jié)構(gòu)可滿足抗震性能I的要求，在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)能夠保持其正常使用功能，結(jié)構(gòu)基本處于彈性工作狀態(tài)。