某鐵路空間剛架結構的地震響應分析

武愛蘭,蘇 偉

(1.中鐵一院蘭州設計院,蘭州 730000；2.鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142)

1 概述

該工點是某高速鐵路與既有5線交叉,因高速鐵路曲線半徑較大,且受地物條件所限,交叉角度很小,如采用常規梁式橋跨越,其跨度將達到150 m以上,其梁高或橋式均不能與當地環境相協調,為此研究采用鐵路空間剛架結構這一形式,剛架是一種上部結構和下部結構連成整體的框架結構,這種結構是超靜定體系,在垂直荷載作用下,框架底部除了產生豎向反力外,還產生力矩和水平反力。剛架結構由于的橋下凈空比較大,一般用于城市或公路的跨線橋和立交橋,尤其是在線路小角度交叉時,需要跨線橋具有較大的縱向和橫向跨度,空間剛架成為一種合理的跨線橋構造形式。

某鐵路橋梁需要跨越既有鐵路五條線,由于需要較大的縱向和橫向跨度,采用空間剛架結構做為跨線橋結構形式。設計的空間剛架結構的跨度為32 m,全長124.65 m。橋面系采用鋼-混疊合梁結構,鋼橫梁與邊墻通過鋼-混凝土結合段連接,邊墻采用鋼壁板內填混凝土的結構形式。邊墻與承臺固結,通過橫梁與邊墻、邊墻與承臺、承臺與基礎的剛性連接,形成空間門式剛架結構,具有較大的整體剛度。該空間剛架結構位于8度地震區,一旦在強震條件下發生損壞,將造成極大損失,因此針對該橋進行地震響應分析,評價其抗震性能具有重要的意義。

目前通用的結構地震響應分析方法有反應譜法和動力時程分析方法。反應譜方法通過反應譜概念將動力問題靜力化,概念簡單、計算方便,但是通常只能用于線性分析。目前大多數國家對于中小跨度橋梁采用反應譜進行地震分析,對于大跨、復雜及重要的橋梁都推薦采用時程分析方法[1],本文采用時程分析方法對空間剛架結構進行地震響應分析。

2 分析模型

采用專業有限元軟件MIDAS/Civil建立空間剛架結構的全橋空間有限元分析模型。橋面系由縱橫梁、混凝土橋面板及平聯組成,采用空間板梁法對橋面系加以模擬,即縱橫梁、平聯采用空間梁單元,混凝土橋面板采用厚板單元,梁板單元間采用共節點處理；邊墻及承臺采用板單元模擬,樁基礎采用梁單元模擬。

既有結構的抗震研究表明,土與結構相互作用對結構的地震響應有顯著影響,對于采用樁基礎的結構,更應該考慮樁-土-結構的相互作用。樁-土-結構動力相互作用的計算分析模型可以分為動力Winkler模型、直接有限元模型和集中質量模型。集中質量模型構造簡單,模型中反應了動力反應分析中最基本的質量、剛度和阻尼三個因素,計算量較小,因此本文以集中質量模型建立樁-土-結構共同作用的有限元模型。假定樁側土是Winkler連續介質,以m法確定土體動力相互作用的水平剛度系數,將樁-土體系的質量按一定的厚度簡化并集中為一系列質點,離散成理想化的參數系統,并用彈簧模擬土介質的動力特性。

圖1 全橋動力分析模型

建立的全橋有限元分析模型如圖1示,共有梁單元6 696個、板單元22 521個,1 164處節點彈性支撐。

3 地震加速度激勵

在進行地震時程分析時選取了一組根據加速度反應譜擬合的人工波和兩組實際強震記錄。

關于如何選擇實際強震記錄,國內外學者進行了大量研究。謝禮立[2]、翟長海[3]提出了最不利設計地震動概念,并給出了常見的4類場地分別對長周期、中周期和短周期3類結構相應的最不利設計地震動。根據該方法,空間剛架(Ⅲ類場地中軟土、結構周期0.5～1.5 s屬于中周期結構)應選取Parkfield波及El Centro波作為時程分析用實際強震記錄。

圖2給出了設計地震下人工地震波,Parkfield波及El Centro波的加速度時程曲線,根據設計反應譜,對實際強震記錄進行了濾波和峰值加速度修正,修正后的地震動持續時間均為25 s。

4 時程分析結果

4.1 位移響應

橫梁及邊墻構成了空間剛架的主體結構,橫梁和邊墻的變形情況決定了結構的整體剛度。圖3示出了3種地震波作用下3號剛架跨中橫梁的位移時程曲線。

圖2 設計地震加速度時程曲線

圖3 3號剛架中橫梁跨中節點橫向位移時程曲線

表1給出了地震波作用下3號剛架橫梁跨中及邊墻底部的最大變形情況。從表中可以看出,在地震作用下,橫向位移響應大于縱向位移響應。

表1 地震作用下3號剛架最大位移響應 mm

4.2 內力響應

空間剛架的主要受力結構是橫梁及邊墻,橫梁采用工字鋼高3 m,邊墻為2.5 m厚鋼箱混凝土結構,橫梁與邊墻通過鋼-混凝土結合段連接。由于橫梁相對薄弱,成為控制結構整體安全的關鍵構件。表2列出了在3種地震波作用下3號剛架中橫梁的跨中及梁端內力。從表2中可以看出,橫梁內力相對較小,仍處在彈性工作范圍內；梁端內力普遍大于跨中內力,由于梁端設置鋼-混凝土結合段,為將梁端內力合理、安全傳遞至邊墻,有必要對結合段構造細節進行深入研究。

表2 地震作用下3號剛架中橫梁最大內力響應

4.3 應力響應

表3給出了設計地震作用下3號剛架的最大應力響應。鋼橫梁的最大應力為59.06 MPa,出現在梁端鋼-混凝土結合段。邊墻及頂板的混凝土最大應力分別為8.4 MPa和6.57 MPa,也出現在鋼-混凝土結合段邊界。

表3 地震作用下3號剛架中橫梁最大內力響應 MPa

ElCentro波作用下橋面板和邊墻的應力分布如圖4、圖5所示。由于鋼-混凝土結合段構造復雜,采用梁、板單元,無法得到結合段的真實應力分布,但從計算結果可以判斷,鋼-混凝土結合段是設計中需要重點考慮的構造。

圖4 3號剛架頂板橫向正應力(單位：MPa)

圖5 3號剛架豎墻豎向正應力(單位：MPa)

5 結 論

針對鐵路空間剛架結構這一特殊橋梁結構,采用專業有限元軟件MIDAS/Civil 2010,建立全橋空間有限元模型,考慮樁-土-結構相互作用進行了地震時程分析,通過分析可以得到以下結論：

(1)分析結果表明,空間剛架結構縱向和橫向剛度較大,能滿足設計地震作用下的變形能力要求；

(2)設計地震作用下,橫梁、邊墻及橋面板等主體結構的應力低于材料的容許應力,主體結構安全性滿足抗震設計要求；

(3)設計地震作用下內力和應力分布規律表明,橫梁與邊墻的連接處受力大、構造復雜,是結構設計的關鍵點,應對其抗震構造細節加強設計。

[1] 中華人民共和國建設部.GB50111—2006 鐵路工程抗震設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2009.

[2] 范立礎,胡世德,葉愛君.大跨度橋梁抗震設計[M].北京:人民交通出版社,2004:16-17.

[3] 謝禮立,翟長海.最不利設計地震動研究[J].地震學報,2003,25(3)250-261.

[4] 翟長海,謝禮立.抗震結構最不利設計地震動研究[J].土木工程學報,2005,38(12)51-58.