連續梁-多框架墩體系地震反應分析

譚 良

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁處,天津 300142)

連續梁-多框架墩體系地震反應分析

譚 良

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁處,天津 300142)

連續梁-多框架墩結構體系為客運專線上為實現小角度立交跨越的新型結構形式,通過進行時程分析和反應譜分析,確定結構體系墩梁連接的合理形式,驗證出結構體系在高烈度震區多遇地震和罕遇地震作用下,擁有可靠的抗震性能。

連續梁;框架墩;反應譜;時程分析

1 概況

某客運專線上跨既有雙線鐵路,交叉角度僅有13.33°,凈空受限,采用7 -16m連續梁-多框架墩結構跨越,主橋共采用5個框架墩,框架墩橫梁與線路方向成12°～15°法向角,橫梁高加墩柱高為14.3～15m。主橋平面布置見圖1。

圖1 主橋平面布置

上部梁跨采用預應力混凝土連續梁結構,基礎采用鉆孔樁基礎?？蚣芏諜M梁采用預應力混凝土結構,墩柱采用鋼筋混凝土結構,立面布置見圖2。

橫梁除與立柱交接處及支承點處采用實體截面外,均采用箱形截面;墩柱采用矩形截面,向外一側縱向加弧,墩高方向呈上、下大,中間小的曲線線形,連續梁的其他次邊墩和聯間墩采用流線形圓端實體墩。

圖2 框架墩立面布置

連續梁 多框架墩體系屬于B類橋梁結構,重要性系數多遇地震作用下取1.5,罕遇地震作用下取1.0。橋梁所處地區地震設防烈度為8度,場地類別劃分為Ⅲ類,地震動反應譜特征周期為0.45s。

連續梁-多框架墩結構體系是一個空間受力結構,采用MIDASCivil有限元程序進行全橋抗震分析,梁部用板單元、橋墩及承臺采用梁單元模擬,承臺底部按樁基礎計算剛度輸入,如圖3所示。

圖3 連續梁-多框架墩體系計算模型

2 墩梁連接形式分析

在此以前的框架墩設計中,上部結構以簡支梁結構居多,連續梁與框架墩采用何種連接方式能更好地參與受力、獲得更好的抗震性能是結構分析的重點?？蚣芏张c上部連續梁的連接可分為3種方式:

(1)連續梁通過一個固定支座與下部橋墩相連,簡稱單固定墩結構體系;

(2)連續梁通過多個固定支座與下部橋墩相連,簡稱多固定墩結構體系;

(3)墩梁固結,即框架墩的橫梁作為連續梁底板的一部分成為十字梁結構體系。

按多遇地震考慮,采用時程分析方法對3種體系進行比較,地震波時程分析數據如圖4所示。

圖4 地震波時程分析數據

時程分析各框架墩在各種體系中的最大反應結果列于表1。

表1 3種體系時程分析結果比較____________

通過上述結果進行分析,3種體系的橫向地震力作用下受力差別不大,但單固定墩體系在縱向地震力下的受力和位移比其他2種體系大很多,若采用單固定墩體系,需大大加強固定墩的縱向剛度,而剛度加大一般情況下又加大了地震響應,因此采用單固定墩體系是不合理的;多固定墩體系和十字梁體系受力比較接近,采用十字梁體系結構抗震、抗扭性較好,整體剛度大,能有效地降低結構高度,但是受力計算較復雜,施工必須用支架現澆的方法,墩梁一次施工時間長,對既有線影響較大,相比較而言,多固定墩體系受力明確,墩、梁可分次施工,施工安全風險小。

框架墩為框架結構,加上受空間的限制和美觀協調性等方面的影響,單個墩柱往往不會具有特別大的剛度,采用多固定墩體系將縱向力作用分配在多個框架墩上,避免受力集中,減小橋墩縱向位移,是一種合理的結構形式,而且各墩結構尺寸基本一致,剛度和質量分布勻稱,提高了全橋的抗震性能。需要注意的是,在墩高較小或墩柱縱向剛度特別大的時候,多固定墩之間上部結構在溫度力作用下的變形是否能得到釋放,若不能滿足,則需要進行梁部溫度跨度和墩柱剛度之間關系的研究分析,由于工點處為跨越既有線,墩柱較高,不受此條件限制。

因此,對于多孔的連續梁-多框架墩體系在墩柱剛度能滿足梁部溫度變形的前提下,應盡量采用多個框架墩作為固定墩,按剛度分配縱向力作用,避免縱向地震作用力集中,可有效加強結構體系的整體抗震性能。結合工點處的具體施工條件、地震烈度等地質條件,采用常規墩梁支座連接的形式,取最中間的3個框架墩作為固定墩進行抗震分析。

3 多遇地震作用下的地震反應分析

采用多固定墩體系進行分析比較,反應譜分析下的地震反應較時程分析的更大一些?？蚣芏諜M梁為預應力結構,地震反應并不明顯,在結構體系中地震反應最大的還是墩柱部分,反應譜分析下的墩柱地震力作用如圖5～圖8所示。

圖5 縱向地震力作用下的剪力內力圖(縱向)(單位:kN)

圖6 縱向地震力作用下的彎矩內力圖(縱向)(單位:kN·m)

反應譜分析下的最大地震反應列于表2。

圖7 橫向地震力作用下的剪力內力圖(橫向)(單位:kN)

圖8 橫向地震力作用下的彎矩內力圖(橫向)(單位:kN·m)

表2 _反應譜分析計算結果

綜合2種計算方法的分析結果可以得出,框架墩縱向地震力作用下受力和位移均比橫向地震力作用下不利;縱向地震力作用下最不利位置在3個固定墩前后2個墩的近線路端墩柱底部;橫向作用最不利位置為3個固定墩靠小里程框架墩的遠線路端墩柱底部。由此可見,框架墩的平面布置對其抗震性能有很大影響,內力圖中3個固定墩的中間墩2個墩柱基本對稱線路布置,其所受作用比較均勻,相比前后2個固定墩,其內力值反而小;前后2個固定墩因質量在2個墩柱上的不均勻分配引起2個墩柱地震響應的非對稱分布,因此,在框架墩橫梁跨度較大時,應控制框架墩在線路中心兩側的橫梁跨度比,避免地震響應過于集中在一側墩柱。另外,框架墩墩柱地震力作用下的縱向彎矩為從上到下線形加大,而橫向彎矩成上下大、中間小的啞鈴形狀,墩中局部區域受地震力作用較小,墩柱結構尺寸可根據其受力特點進行設計。

從計算結果比較來看,結構體系在反應譜分析下較時程分析計算結果受力更大,地震響應更為明顯,可見進行連續梁-框架墩設計時采用反應譜方法進行抗震分析,能保證結構的安全性。

將反應譜分析下的縱、橫向地震力與恒載、活載組合,分別按有車、無車進行框架墩的結構驗算。橋上有車時,順橋向檢算不計算活載引起的地震力,橫橋向檢算計入50%的活載引起的地震力。計算得出墩柱配筋率在1.36% ～2.08%,墩柱最大拉應力為243.4 MPa。橫梁在地震力組合作用下,截面均為壓應力,應力值在1.28～7.54MPa。

4 延性設計

按照鐵路抗震規范中關于延性設計的要求,框架墩墩柱全截面最小配筋率為1.36%,最大配筋率為2.08%,均介于0.5%～4%;框架墩底部箍筋加強,按10cm間距布置,其余部位間距15cm,箍筋直徑16 mm。根據配筋設置進行延性計算,來驗證結構體系在罕遇地震作用下的性能。

由于罕遇地震作用下,結構體系不能再維持彈性的工作狀態,而進入彈塑性工作狀態的只能是框架墩本身。根據鐵路抗震規范中“表5.2-1鐵路橋梁設防目標及分析方法”的規定,按照非線性時程反應分析法進行框架墩的延性驗算和最大位移分析。對框架墩進行罕遇地震作用下的動力彈塑性分析,延性驗算應滿足下列要求

式中 μu——非線性位移延性比;

[μu]——允許位移延性比,取值為4.8;

Δmax——橋墩的非線性響應最大位移;

Δy——橋墩的屈服位移。

非線性時程分析仍采用MIDAS進行建模計算,經過上述計算分析,可以判斷,框架墩頂、底位置為可能出現塑性鉸位置,對墩頂、底可能屈服區域的截面分別進行非彈性鉸的模擬,混凝土和鋼筋材料分別根據合理的滯后模型定義,并完全按照施工圖框架墩墩柱配筋圖對截面進行線性分割。因縱向地震作用結構體系地震反應比較明顯,故只對墩柱進行縱向地震反應分析。

罕遇地震縱向力作用下,墩底為發生塑性鉸區域,最不利截面彎矩-轉角曲線如圖9所示。

圖9 彎矩-轉角曲線

縱向地震力作用下受壓端均處于彈性工作范圍內,受拉端截面保護層混凝土將退出工作,但并未顯示破碎。受拉側主筋在不同的時程點均有可能屈服,最先屈服的為截面角點處鋼筋,鋼筋應力應變曲線如圖10所示。

鋼筋達到屈服強度后,應力、應變增加量均很小,可認為鋼筋應力未超出屈服階段,且鋼筋在卸載后基本上維持線彈性工作,截面仍然有一定剛度可繼續發揮作用。

圖10 屈服鋼筋應力-應變曲線

根據計算橋墩的屈服位移為0.0448m,罕遇地震縱向力作用下框架墩最大縱向位移為0.052m,計算得出延性比1.16,可得縱向地震力作用下,延性驗算滿足要求。

綜上所述,連續梁-多框架墩體系具有達到罕遇地震要求的抗震性能。

5 結語

(1)根據對框架墩地震受力分析,得出連續梁-多框架墩體系采用多個框架墩作為固定墩是一種合理的結構形式,可有效加強結構體系的整體抗震性能。

(2)從反應譜分析和時程反應分析的結果得出,多遇地震作用下,連續梁-多框架墩體系具有較好的抗震性能;框架墩在平面上的不對稱性,使得框架墩在地震力作用下的地震反應不對稱,故在進行橋墩設計時應盡量控制橫梁跨度和框架墩在上部結構支撐中心兩側的橫梁跨度比,避免地震作用過于集中。

(3)通過非線性時程分析,連續梁-多框架墩體系能達到罕遇地震作用下的抗震要求。

(4)根據規范要求應按設計地震考慮對連接構造進行強度驗算,應結合支座設計進行相應分析檢算。

(5)現在,抗震計算以外,抗震概念設計和抗震構造設計擺在了更重要的位置。以往的鐵路橋梁抗震設計除了結構本身的安全分析,對于抗震措施的設置考慮較少,處于高烈度震區的連續梁-多框架墩體系在防落梁裝置、基礎設計及各部連接構造等方面應注意加強。

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Seismic Response Analysis of Continuous Beam with Multiple Framed Piers System

TAN Liang
(Bridge Design Department of the Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation, TianJin 300142, China)

The structure system of continuous beam with multiple framed piers is a new structure form in railway passenger-dedicated line,which is suitable for the spanning of grade separation with a small angle.By means of response spectrum analysis and time history analysis,this paper confirms the reasonable connection form between the beam and the pier of the composite structure,and verifies that the structure can has reliable seismic performances under the actions of frequent earthquakes and strong earthquakes respectively in high seismic intensity regions.

continuous beam;framed pier;response spectrum;time history analysis

U238;U442.5+5

A

1004 -2954(2012)11 -0042 -03

2012-06-13

譚 良(1980—),男,工程師,2003年畢業于西南交通大學土木工程專業,工學學士,E-mail:tanl_0@163.com。