高烈度區(qū)雙層框架墩基礎(chǔ)方案比選研究

摘要 受限于用地緊張及場(chǎng)地建設(shè)條件，雙層框架墩在城市軌道建設(shè)中將得到廣泛應(yīng)用。文章以西安地鐵10號(hào)線公軌合建段引橋30 m跨標(biāo)準(zhǔn)框架墩為例，對(duì)高烈度區(qū)兩種基礎(chǔ)方案進(jìn)行比選，并進(jìn)一步分析了整體式承臺(tái)的受力規(guī)律。與整體式承臺(tái)相比，分離式承臺(tái)受力更明確、經(jīng)濟(jì)性更好;對(duì)整體式承臺(tái)，建議先通過比較開裂彎矩與最不利工況的彎矩，判斷截面是否開裂，再偏安全地采用考慮樁-土共同作用的土彈簧模型進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞 高烈度;雙層框架;整體式承臺(tái);分離式承臺(tái)

中圖分類號(hào) TU375.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）06-0153-03

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，交通擁堵已成為城市“痛點(diǎn)”。同時(shí)，城市土地資源日益緊張，征地拆遷和施工組織的難度增大，進(jìn)一步制約了交通效率的提升。為節(jié)約線位資源，提高土地利用率和交通運(yùn)輸效率，復(fù)合通道應(yīng)運(yùn)而生。目前，復(fù)合通道在我國城市軌道交通中的應(yīng)用較少，已通車的有上海閔浦二橋、菜園壩長江大橋、朝天門長江大橋、東水門長江大橋。可預(yù)見，作為一種集約化的交通模式，復(fù)合通道在城市軌道建設(shè)中將得到廣泛應(yīng)用。

經(jīng)調(diào)研，國內(nèi)公軌合建橋引橋大多采用雙層框架墩，且主要位于低烈度區(qū)。對(duì)高烈度區(qū)雙層框架墩，相關(guān)研究和應(yīng)用較少。因此，有必要開展相關(guān)研究，指導(dǎo)該類地區(qū)同類型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

1 工程概況

西安地鐵10號(hào)線公軌合建段引橋上層為六車道快速路，下層為軌道10號(hào)線。該區(qū)域引橋地震動(dòng)峰值加速度值為0.2 g，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，抗震設(shè)防烈度為8度。

引橋上層采用30 m鋼混疊合連續(xù)梁;下層受限于運(yùn)輸條件，采用雙線簡(jiǎn)支現(xiàn)澆箱梁。上層蓋梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，跨中梁高2.2 m，混凝土等級(jí)為C50;下層系梁采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，跨中梁高2.2 m，混凝土等級(jí)為C50;墩柱間距14 m，尺寸為2.5×2.4（縱×橫）m，混凝土等級(jí)為C50;整體式、分離式承臺(tái)尺寸分別為18.1×6.9×3.2（縱×橫×厚）m、8×8×3.2（縱×橫×厚）m，混凝土等級(jí)為C40;樁直徑為1.5 m，混凝土等級(jí)為C35。

根據(jù)初步設(shè)計(jì)成果，上層快速路采用HDR系列高阻尼隔震橡膠支座，下層軌道采用摩擦擺減隔震支座。

2 不同基礎(chǔ)方案比選

雙層框架墩通常采用兩種基礎(chǔ)方案：整體式承臺(tái)、分離式承臺(tái)。整體式承臺(tái)優(yōu)點(diǎn)是整體剛度大、工后沉降小，缺點(diǎn)是受力機(jī)理復(fù)雜、適應(yīng)性差;分離式承臺(tái)受力機(jī)理明確、適應(yīng)性強(qiáng)，缺點(diǎn)是整體剛度略小，當(dāng)橫向地質(zhì)差異大、荷載不對(duì)稱時(shí)，工后沉降差異大。下面將對(duì)這兩種方案進(jìn)行同深度比選，供同類工程參考。

2.1 模型的建立

采用Midas Civil建立雙層框架墩的有限元模型（見圖1、2）。構(gòu)件均采用空間梁?jiǎn)卧M，樁-土共同作用采用一般彈性支承的剛度矩陣模擬。

2.2 整體式、分離式承臺(tái)方案對(duì)比

除承臺(tái)尺寸不同外，其余構(gòu)件尺寸均相同。分離式承臺(tái)考慮5 mm橫向墩臺(tái)沉降差。

地震工況下，兩種方案的結(jié)構(gòu)動(dòng)力結(jié)果見表1。由表可見：

（1）縱向地震作用下，分離式承臺(tái)控制截面的彎矩比整體式承臺(tái)對(duì)應(yīng)的彎矩略大。

（2）橫向地震作用下，分離式承臺(tái)下層墩柱的柱底彎矩比整體式承臺(tái)對(duì)應(yīng)的彎矩減小約20%，影響顯著。

（3）縱向地震作用控制墩柱配筋設(shè)計(jì)。

根據(jù)《規(guī)范》[1]，計(jì)算得左、右墩臺(tái)沉降差為0.1 mm，遠(yuǎn)小于假定的墩臺(tái)沉降差?？梢?，分離式承臺(tái)方案工后沉降差異較小。

圖3反映了兩種承臺(tái)方案材料用量的差異?？梢?，整體式比分離式方案鋼筋用量略高，混凝土用量反之。經(jīng)測(cè)算，整體式比分離式方案材料費(fèi)貴6.3萬元，即：分離式承臺(tái)方案更經(jīng)濟(jì)。

3 整體式承臺(tái)配筋設(shè)計(jì)

目前，試驗(yàn)和理論研究[2-3]發(fā)現(xiàn)，承臺(tái)部分為應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)（D區(qū)），建議采用拉壓桿模型進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。規(guī)范[4]的公式適用于墩柱位于承臺(tái)中心的情況，對(duì)墩柱偏心布置的整體式承臺(tái)的適用性有待商榷。因此，有必要建立實(shí)體有限元模型，研究這類承臺(tái)的傳力機(jī)理，為配筋設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3.1 模型的建立

采用FEA NX建立實(shí)體有限元模型（見圖4）。按圣維南原理，墩柱高度取3 m;按《規(guī)范》[1]，樁長取hm=2（d+1）=5 m。忽略樁-土共同作用，樁底固結(jié)。柱頂采用共用節(jié)點(diǎn)，施加柱的內(nèi)力，內(nèi)力值由考慮樁-土共同作用的土彈簧模型（見圖5）提供;承臺(tái)頂采用壓力荷載施加土壓力。墩柱、承臺(tái)、樁基采用3D混合網(wǎng)格自動(dòng)劃分，鋼筋采用1D網(wǎng)格自動(dòng)劃分，自動(dòng)網(wǎng)格劃分尺寸均取0.2 m。混凝土和鋼筋單元自動(dòng)耦合。

3.2 整體式承臺(tái)的受力規(guī)律

圖6為承臺(tái)不同位置處的混凝土應(yīng)力分布圖?？梢钥闯觯诤奢d作用下，承臺(tái)跨中、距跨中1 950 mm處，承臺(tái)橫向混凝土應(yīng)變基本滿足平截面假定，受力接近一般受彎構(gòu)件;墩柱內(nèi)側(cè)處承臺(tái)橫向混凝土應(yīng)變不滿足平截面假定，受力接近深梁構(gòu)件。

3.3 不同計(jì)算方法系桿拉力對(duì)比

承臺(tái)頂、底層橫橋向分別通長布置110? 32、110? 28。

基于劉運(yùn)林[5]的研究成果，承臺(tái)跨中處的開裂彎矩計(jì)算值與最不利工況的彎矩值的對(duì)比見表2。由表可知，承臺(tái)跨中處的開裂彎矩大于最不利工況的彎矩，即：跨中未開裂。

因規(guī)范[4]的公式無法考慮整體式承臺(tái)跨中上緣橫向受拉的情況，故有必要根據(jù)精細(xì)化模型揭示的受力規(guī)律，構(gòu)建新的拉壓桿模型（見圖7）。

由表3可以看出，土彈簧模型的拉桿拉力計(jì)算值高于FEA NX模型的計(jì)算值，偏安全;拉壓桿模型墩柱中心處的拉桿拉力計(jì)算值與FEA NX模型的計(jì)算值接近，但其跨中處拉桿拉力計(jì)算值遠(yuǎn)大于FEA NX及土彈簧模型的計(jì)算值，其結(jié)果可能失真，即：該文的拉壓桿構(gòu)形不是最優(yōu)構(gòu)形，不能最真實(shí)地反映承臺(tái)的力流傳遞機(jī)理。

4 結(jié)論

（1）橫向地震作用下，除潛在塑性鉸（上層墩柱柱頂、下層墩柱柱底）外，兩種基礎(chǔ)方案其他控制截面的彎矩差異較小，采用分離式方案可顯著減少下層墩柱柱底的面內(nèi)彎矩。

（2）對(duì)高烈度區(qū)雙層框架墩，分離式承臺(tái)受力機(jī)理更明確、適應(yīng)性更強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性更好。

（3）整體式承臺(tái)進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)時(shí)，建議通過比較控制截面開裂彎矩與最不利工況的彎矩，判斷截面是否開裂。

（4）土彈簧模型可用于整體式承臺(tái)的配筋設(shè)計(jì)，且偏安全，而拉壓桿模型受限于傳力機(jī)理復(fù)雜，構(gòu)形不唯一，其適用性有待進(jìn)一步研究。

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收稿日期：2022-02-23

作者簡(jiǎn)介：謝俊龍（1988—），男，碩士研究生，橋梁設(shè)計(jì)師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。