不同墩梁連接方式的長聯大跨度鐵路橋地震反應特性對比分析

霍學晉,高玉峰,李曉斌

(西南交通大學土木工程學院,成都 610031)

1 工程概述

福廈線烏龍江特大橋為雙線鐵路橋,設計旅客列車行車速度 250km/h。該橋主橋的初步設計擬定了 3種橋式,方案一:(80+3×144+80)m五跨連續梁;方案二:(80+3×144+80)m五跨連續剛構;方案三:(80+3×144+80)m五跨連續 -剛構組合結構。3種方案中主梁采用相同的結構形式,主梁根部梁高11.0m,跨中及邊跨直線段梁高 6.0m,主梁線形按圓曲線變化。梁體采用 C55混凝土,為三向預應力體系。連續梁支座采用球形支座,伸縮縫選用特制鐵路橋梁大位移伸縮縫。橋址處抗震設防烈度為 7度,地震動峰值加速度為 0.10g,反應譜特征周期 0.4 s。

3種方案中,墩的結構形式有所不同。方案一中各墩均采用等截面圓端形墩,順橋向寬度中間固定墩為 8.0m,其他中間墩為 7.0m,邊墩為 4.9m,橫橋向寬度邊墩為 11.5m,中間墩均為 10.5 m;方案二中邊墩的尺寸與方案一相同,6～9號主墩采用雙薄壁墩,柱間距為 8.4m,單肢柱在順橋向的寬度為 2.5m,橫橋向寬度為 9.7m;方案三中7號和8號中墩采用雙柱墩,墩截面尺寸與方案二相同,其余橋墩采用獨柱墩,墩的尺寸與方案一相同。墩的材料采用 C35混凝土。3種方案中,樁的布置形式和樁徑也有所不同。方案一主墩墩底布置 16根樁,樁徑為 2.5m,順橋向和橫橋向樁間距分別為 5.2m和 5.5m;方案二主墩單肢薄壁墩柱下均布置 10根樁,樁徑為 2.0m,順橋向和橫橋向樁距均為 4.2m;方案三中邊墩下樁基布置與方案一相同,6號和 9號墩下布置 20根樁,樁徑 2.0m,順橋向和橫橋向樁距均為 4.4m,7號和 8號墩樁基布置與方案二相同。樁的材料采用 C30混凝土。上述 3種方案的橋型布置見圖1。

圖1 3種橋式方案立面布置(單位:cm)

2 動力計算模型

橋跨的空間動力計算模型采用大型通用有限元分析軟件 ANSYS進行建立。選用考慮剪切變形影響的三維漸變不對稱 Timoshenko梁單元(BEAM188)模擬主梁、橋墩及樁基礎,對于橋面二期恒載以及鄰跨簡支梁質量的影響將其等效為相應主梁節點上的質量單元(MASS21)模擬。由于承臺為高樁承臺且樁基較長,樁端處進行固結,對樁土相互作用采用線性彈簧單元(COMBIN14)模擬,彈簧剛度按 m法確定。模型中主梁與墩身的連接采用主從約束的方式實現,承臺與樁基的連接通過定義剛域的方式實現。針對上述 3種設計方案,分別建立了對應的計算模型。連續梁和連續剛構墩的計算模型如圖2所示。

3 自振特性對比

圖2 橋墩空間有限元計算模型

本文分別對 3種橋型方案進行了自振特性分析,針對每種方案又考慮了樁土作用與不考慮樁土作用兩種情況。對于不考慮樁土作用的情況是在樁基的局部沖刷線處將樁底固結處理。考慮樁土作用與否的 3種橋式方案前 10階自振周期及其振型特征描述見表1和表2。圖3給出考慮樁土作用時 3種橋式方案典型振型的示意圖。

表1 不同墩梁連接方式3種方案的模態分析結果(考慮樁土作用)

表2 不同墩梁連接方式3種方案的模態分析結果(不考慮樁土作用)

由自振特性分析結果可以看出:(1)對于 3種橋式方案,考慮樁土作用的各階自振周期均比不考慮樁土作用時相應值有所增加,可見樁土相互作用使得橋跨結構變柔,自振周期增大;(2)在考慮樁土作用時,3種方案的基本周期值分別為 2.579、3.177、3.207 s,可見連續梁方案的基本周期相對較短,而連續剛構和連續-剛構組合方案的基本周期值基本相當;(3)3種模型的第一階振型均為主梁第 4跨側彎,可見由于 8號和 9號墩底樁基礎位于較厚的細砂層,致使該部位的橫向剛度較弱;(4)分別對比 3種橋型考慮樁土作用與不考慮樁土作用的振型結果,剛構模型的前 5階、剛構-連續組合模型的前 6階振型都是一致的,但對于連續梁方案第 2階振型即出現了差異;(5)考慮樁土效應時,3種橋型非固結墩的縱向彎曲振型均提前出現。

圖3 考慮樁土作用時3種橋式方案典型振型示意

4 反應譜分析結果對比

橋址區的工程地質勘探資料表明,該橋橋址場地土的平均剪切波速在 157～304m/s,屬于Ⅱ類場地土,根據中國地震動參數區劃圖知地震動峰值加速度為0.10g,地震動反應譜特征周期為 0.4s。根據《鐵路工程抗震設計規范》[2],其反應譜輸入的動力放大系數 β=2.25×0.4/T,長周期部分穩定在 0.45 s,反應譜曲線如圖4所示。

圖4 輸入反應譜曲線

本文分別對 3種橋型方案進行縱向、橫向及豎向地震反應譜輸入,其中豎向反應譜值取水平向的 1/2。分析對比了各輸入工況下 3種橋型關鍵截面的內力及位移情況。各墩底及墩頂內力對比情況見圖5～圖7;墩頂位移及主梁位移的結果對比情況見圖8～圖12。

圖5 縱向地震反應各墩墩底面內彎矩比較

圖6 縱向地震反應各墩墩頂面內彎矩比較

圖7 橫向地震反應各墩墩底面外彎矩比較

圖8 縱向地震反應墩頂位移比較

圖9 橫向地震反應墩頂位移比較

圖10 縱向地震反應主梁縱向位移比較

圖11 縱向地震反應主梁豎向位移比較

圖12 橫向地震反應主梁橫向位移比較

通過對 3種橋型內力及位移反應值的綜合對比分析,得出以下結論。

(1)縱向地震作用下,3種橋型均在 7號墩底或墩頂產生最大的面內彎矩和剪力,故 7號墩將成為全橋受力最不利的部位。分析其原因,7號墩樁基為全橋所有橋墩中最短者,即該處巖層最淺,樁底固結,無樁土作用的考慮。從橫向地震作用內力反應值的對比結果看,3種橋型并無明顯差異。

(2)從位移反應值的對比情況來看,3種橋型均在8號或 9號墩頂發生了較大的墩頂位移,同時 3種橋型在橫向地震作用下其第 4跨跨中位置處均發生全橋最大的橫向位移值。可見,在地震作用下 8號和 9號橋墩基礎及第 4跨主梁剛度不足,將成為全橋的薄弱部位。分析其原因,在于 8號和 9號墩墩底的樁基礎位于較厚的細砂層,樁長較長,致使該部位樁基礎剛度較弱。這和模態分析結果中 3種模型的第 1階振型均為主梁第四跨側彎的結論是一致的。

(3)從縱向或橫向反應譜輸入情況下 3種橋型墩頂及主梁發生的最大位移值來看,橋型一的位移值較小,整體剛度較大,其地震反應性能優越于其他兩種橋型;而橋型二和橋型三的相應位移值差別不大。

(4)從豎向地震反應對 3種橋型的影響來看,對于橋型一和橋型三,豎向地震反應在 7號固定墩(橋型一)及 7號和 8號墩梁固結橋墩(橋型三)中產生面內彎矩和剪力;對于橋型二,豎向地震反應在其 6號 ～9號橋墩及主梁截面將同時產生面內和面外的彎矩和剪力。總體看來,豎向地震反應對橋型二的影響最大,橋型三次之,對橋型一的影響很小。

5 結語

對不同墩梁連接方式下的 3種橋式方案進行了自振特性分析和反應譜分析,對結構關鍵部位的地震內力和位移進行了對比分析,結果表明,本橋最終選用的設計方案橋型一(連續梁方案)是可行合理的,但因固定墩受力較為不利,須保證其具有足夠的縱橫向剛度及強度,同時須選用利于抗震的墩頂固定支座。

[1] 鐵道部工程設計鑒定中心,鐵道第三勘察設計院集團有限公司.中國高速鐵路橋梁技術國際交流會論文集[C].北京:中國鐵道出版社,2008.

[2] GB 50111—2006,鐵路工程抗震設計規范[S].

[3] 何庭國,袁 明,陳 列,等.福廈鐵路跨越烏龍江長聯大跨連續梁橋設計[J].橋梁建設,2008(4):43-46.

[4] 范立礎.橋梁抗震[M].上海:同濟大學出版社,1997.

[5] 孫利民,張晨南,潘 龍,等.橋梁樁土相互作用的集中質量模型及參數確定[J].同濟大學學報,2002,30(4):409-415.

[6] 高玉峰,蒲黔輝,李曉斌.大跨長聯預應力混凝土連續梁橋地震反應分析[J].工程抗震與加固改造,2009,31(2):21-25.