站橋一體化結(jié)構(gòu)抗震受力性能分析

蘇士才 秦永剛 劉能文

1.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 100082

2.北京市城市橋梁安全保障工程技術(shù)研究中心 100082

引言

近年來，國內(nèi)地鐵建設(shè)與高架道路同時(shí)飛速發(fā)展，地鐵與高架橋下部結(jié)構(gòu)往往會(huì)發(fā)生空間交叉，若采取對高架橋進(jìn)行線位調(diào)整，或者是對高架橋下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)的做法不僅投資大，還造成占地范圍的增加，同時(shí)高架橋的局部外觀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變，例如設(shè)置巨大的外伸門架或者異形結(jié)構(gòu)等，對城市景觀產(chǎn)生影響，誘發(fā)結(jié)構(gòu)空間耦合受力，進(jìn)一步增加工程造價(jià)及施工風(fēng)險(xiǎn)。

因此，為解決站橋分離建設(shè)帶來的問題，地鐵車站與高架橋進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)及施工可作為應(yīng)對上述問題的有效途徑，既可充分利用寶貴的城市土地資源，緩解用地緊張，又能增加城市高架橋的外觀統(tǒng)一性、優(yōu)美性。

有智慧等［1］利用SAP2000 建立站橋連接合建與分離合建的兩種簡化模型，通過對比3 種地震波下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，得出分離合建式車站的抗震性能更優(yōu)。陳雷［2］等采用EL-Centro_t 波對站橋合一結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，與單獨(dú)鋼箱梁橋的對比結(jié)果表明動(dòng)力特性主要由地鐵車站控制，且橋梁的分配模式發(fā)生相應(yīng)改變。倪永軍等［3］通過Midas／Gen和SAP2000 建立了站橋整體模型與簡化模型，驗(yàn)證了簡化模型的合理性，并證實(shí)了基于改進(jìn)的模態(tài)組合方法的側(cè)向力加載模式下的Pushover分析方法更加適用于車站結(jié)構(gòu)的抗震性能評(píng)估。賈繼祥［4］依托某工程將單獨(dú)鋼箱梁橋模型和合建模型的動(dòng)力特性進(jìn)行對比分析研究，同時(shí)分別用反應(yīng)譜法與時(shí)程分析法對結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)進(jìn)行了研究。陶哲［5］對站橋合建結(jié)構(gòu)的靜力響應(yīng)進(jìn)行了深入分析，并對合建結(jié)構(gòu)與單獨(dú)建設(shè)的波形鋼腹板鋼-混組合橋梁的自振特性進(jìn)行了分析對比。綜上，站橋一體化結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，缺少建立不同連接方式的站橋整體模型的量化對比分析。

本文依托太原市某站橋一體化設(shè)計(jì)項(xiàng)目，建立有限元模型，主要研究在地震工況下，橋梁基礎(chǔ)與地鐵車站之間不同連接方式對整體結(jié)構(gòu)受力和結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響，得出各連接方式的優(yōu)缺點(diǎn)，為此類地鐵車站及高架橋一體化設(shè)計(jì)的選擇提供參考。

1 工程概況

本項(xiàng)目結(jié)合地鐵車站及高架橋同期建設(shè)特點(diǎn)，采用站橋一體化建設(shè)。本橋?yàn)槿邕B續(xù)變截面鋼箱梁結(jié)構(gòu)，跨徑為36.24m ＋54.71m ＋36.24m，橋梁全寬17m，上部結(jié)構(gòu)為全鋼結(jié)構(gòu)，為增加橫向受力的均勻性，在中墩及邊墩墩頂局部范圍灌注C40 混凝土；下部結(jié)構(gòu)采用曲線雙墩，中間通過橫系梁連接，基礎(chǔ)在地下車站上方采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。

車站與高架橋結(jié)合建設(shè)，高架橋沿車站縱向布置，采用擴(kuò)大基礎(chǔ)坐落于車站正上方，擴(kuò)大基礎(chǔ)與車站頂板間采用級(jí)配碎石進(jìn)行隔離，凈距均大于1m，待地鐵結(jié)構(gòu)施工完成后再施工其上方高架橋。

圖1 站橋立面示意（單位：m）Fig.1 Schematic diagram of elevation view of station-bridge structure（unit：m）

圖2 站橋斷面示意（單位：m）Fig.2 Schematic diagram of section view of station-bridge structure（unit：m）

2 站橋一體化有限元模型

對于站橋一體化的設(shè)計(jì)可分為三大類，站橋剛性連接、站橋杯口式彈性連接以及站橋間設(shè)墊層的鉸接連接。其中剛接的實(shí)現(xiàn)方式是將墩柱或柱底承臺(tái)的鋼筋與車站頂板的鋼筋連接形成整體，連接節(jié)點(diǎn)同步澆筑混凝土，形成完全剛接的節(jié)點(diǎn)，連接點(diǎn)三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)、位移協(xié)同變形，不產(chǎn)生相對位移。彈性約束連接方式主要是通過在地鐵車站頂板上預(yù)設(shè)杯口，將墩柱插入杯口后，填充豆石混凝土，此種連接方式轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度較小，同時(shí)限制墩柱的水平變位。站橋鉸接的連接方式，主要是采用在墩柱擴(kuò)大基礎(chǔ)下和地鐵車站頂板之間填充砂卵石或碎石墊層，通過設(shè)置合理的墊層厚度，將基礎(chǔ)反力擴(kuò)散至車站頂板及框架結(jié)構(gòu)，橋梁擴(kuò)大基礎(chǔ)的水平及轉(zhuǎn)動(dòng)剛度考慮墊層壓縮剛度，與無車站時(shí)考慮地基剛度的方式相同。以上三種連接方式，區(qū)別主要在于限制墩柱的轉(zhuǎn)動(dòng)和水平位移及其剛度的差別，對豎向位移的約束狀態(tài)基本一致。

在進(jìn)行建模計(jì)算分析時(shí)，將站橋一體化進(jìn)行整體建模計(jì)算分析會(huì)更加精準(zhǔn)，對于站橋剛接狀況時(shí)，若不計(jì)入地下車站計(jì)算模型，直接將墩柱底部剛接在剛體上，計(jì)算出來的墩柱底部彎矩和水平力由于沒有考慮車站本身的彈性變形而會(huì)偏大，故對地下車站進(jìn)行建模時(shí)，車站周邊單元采用土彈簧模擬土體的彈性作用，能很好地模擬車站及橋梁的受力狀況。對于鉸接狀況時(shí)，單獨(dú)對橋梁進(jìn)行計(jì)算分析，對于水平變位的計(jì)算值會(huì)由于沒有考慮車站本身的變位和車站頂板與墩柱之間的相對變位，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果誤差較大，故對地下車站建模時(shí)，應(yīng)考慮橋梁基礎(chǔ)與地鐵車站間的彈性連接。

本站橋一體化整體模型采用MIDAS Civil軟件建立，分別建立站橋剛接模型和站橋鉸接模型，站橋彈性連接介于兩者之間，本次暫不進(jìn)行對比分析。模型中鋼箱梁、墩柱、擴(kuò)大基礎(chǔ)、車站橫縱框架采用梁單元模擬，車站頂板中板底板、車站左右墻、端墻采用板單元模擬；車站底板和墻體與土的作用采用節(jié)點(diǎn)彈性支撐模擬；模型中支座以彈性連接模擬，擴(kuò)大基礎(chǔ)底部與車站頂部的連接對于剛性連接直接剛接，對于鉸接連接，在擴(kuò)大基礎(chǔ)范圍內(nèi)設(shè)置多個(gè)彈性連接模擬級(jí)配碎石的壓縮剛度，有限元模型如圖3 所示。

圖3 站橋一體化有限元模型Fig.3 FEM of the integrated station-bridge structure

3 計(jì)算分析

3.1 自振特性分析

通過提取站橋剛接模型與鉸接模型計(jì)算結(jié)果的前10 階模態(tài)進(jìn)行對比分析，結(jié)果見表1，由表可知，站橋剛接模型與鉸接模型相比，自振頻率偏大。同時(shí)結(jié)構(gòu)振型分布不同，低階振型中僅橋梁結(jié)構(gòu)振型存在差異，高階振型中站橋整體結(jié)構(gòu)振型存在明顯差異，主要表現(xiàn)為剛接模型中車站與橋梁的協(xié)同變形，如圖4 所示。

表1 站橋一體化結(jié)構(gòu)基頻與周期Tab.1 Fundamental frequency and period of integrated station-bridge structure

圖4 模型第10 階振型Fig.4 Tenth order vibration mode

3.2 時(shí)程響應(yīng)分析

時(shí)程分析法屬于瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析方法，可以計(jì)算出地震作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)隨時(shí)間變化的關(guān)系。本文站橋結(jié)構(gòu)按8 度抗震設(shè)防（0.2g），Ⅲ類場地，特征周期Tg＝0.45s；以此設(shè)計(jì)反應(yīng)譜為目標(biāo)譜來擬合生成人工地震動(dòng)，地震波如圖5 所示，分別對站橋剛接模型與鉸接模型中的橋梁墩柱與車站立柱進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)分析，時(shí)程曲線結(jié)果僅展示兩種模型墩柱剪力時(shí)程曲線，見圖6，其余計(jì)算結(jié)果見表2、表3。由表2 計(jì)算結(jié)果可得，在地震作用下，站橋剛接模型的墩底最大剪力與彎矩均大于站橋鉸接模型，站橋鉸接的連接方式對整體結(jié)構(gòu)是有利的，其碎石墊層與擴(kuò)大基礎(chǔ)可以大幅減小由于地震引起的墩柱剪力與彎矩，使橋梁墩柱的受力狀態(tài)得到改善，彎矩和剪力減小至0.6 倍左右。

表2 橋梁墩柱計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of bridge columns

表3 車站立柱計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of station columns

圖5 地震波時(shí)程曲線Fig.5 Time history of the seismic wave

圖6 墩柱剪力時(shí)程曲線Fig.6 Shear time history curve of bridge column

由表3 計(jì)算結(jié)果可得，在地震作用下，站橋剛接模型的地鐵車站立柱頂最大剪力與彎矩均大于站橋鉸接模型，且鉸接模型約為剛接模型的0.6 倍，但絕對值相對較小，遠(yuǎn)小于車站立柱的承載能力限值，且車站立柱主要受軸力作用，立柱的承載力遠(yuǎn)大于作用組合，表明兩種連接方式均可，但相較而言鉸接模型表現(xiàn)更為優(yōu)秀。

3.3 鉸接模型中碎石墊層厚度分析

上述分析中可以得出站橋鉸接模型具有一定優(yōu)勢，在實(shí)際應(yīng)用中，擴(kuò)大基礎(chǔ)與車站頂板頂之間所設(shè)置的級(jí)配碎石墊層厚度的選取會(huì)影響整個(gè)站橋結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。本文有限元模擬采用擴(kuò)大基礎(chǔ)范圍內(nèi)設(shè)置多個(gè)彈性連接模擬級(jí)配碎石的壓縮剛度來實(shí)現(xiàn)，墊層的厚度變化會(huì)對站橋連接處的剛度產(chǎn)生影響，墊層厚度增加，軸向剛度與側(cè)向剛度均會(huì)減小，本文通過更改連接剛度來模擬墊層厚度變化。

在地震工況下，對比不同墊層厚度時(shí)各構(gòu)件內(nèi)力響應(yīng)，分析得到地震作用下墊層厚度的選取原則，以及確定最優(yōu)的墊層厚度。本節(jié)選取0、50cm、100cm、150cm、200cm 墊層厚度的模型進(jìn)行計(jì)算分析。

橋梁墩柱及地鐵車站頂層橫梁計(jì)算結(jié)果見圖7。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以得出，墊層厚度越大起到的隔震效果越理想，橋梁墩柱因地震力引起的彎矩越小；車站頂層橫梁的彎矩變化在墊層厚度為0～50cm 范圍內(nèi)變化明顯，墊層厚度超過50cm后，橫梁彎矩的變化值隨墊層厚度的增加相對較小。

圖7 不同墊層厚度下墩柱及橫梁彎矩Fig.7 Bending moment of columns and transverse beam under different thickness cushion

綜合考慮橋梁與車站的受力狀態(tài)，墊層厚度的選取宜在1m 以上，但因墊層厚度增加，地鐵車站埋深也會(huì)增加，對于明挖車站來說，埋深增加意味著更大的開挖量和更高的施工技術(shù)要求，因此墊層厚度的選取應(yīng)綜合考慮多方面因素的影響，在滿足結(jié)構(gòu)安全的條件下，厚度不宜過高。

4 結(jié)論

本文通過對站橋一體化整體有限元模型進(jìn)行抗震受力性能分析得出以下結(jié)論：

1.站橋剛接模型的結(jié)構(gòu)基頻大于站橋鉸接模型，且兩者的振動(dòng)模態(tài)存在差異，站橋剛接模型的振動(dòng)模態(tài)會(huì)出現(xiàn)車站扭轉(zhuǎn)的特征，這體現(xiàn)了地鐵車站與橋梁的協(xié)同變形。

2.在地震激勵(lì)下，站橋剛接模型橋梁墩柱與車站立柱的彎矩與剪力均大于鉸接模型，其鉸接模型的結(jié)果與剛接模型的結(jié)果比值在0.6 倍左右，對處于高烈度區(qū)域的橋梁跨徑較大的站橋合建工程，站橋鉸接的連接方式優(yōu)勢明顯。

3.站橋鉸接模型中，隨墊層厚度的增加，對于橋梁結(jié)構(gòu)的隔震效果越好，橋梁墩柱因地震力引起的彎矩隨之減??；同時(shí)，車站橫梁的受力也因此得到改善，但隨厚度不斷增加，改善效果逐漸降低。

4.在工程應(yīng)用中選用站橋鉸接模型進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，為保證車站與橋梁結(jié)構(gòu)受力合理，墊層厚度應(yīng)在1m以上，綜合考慮開挖深度等增加施工難度的影響后不宜過高。