高烈度震區中低速磁浮交通T形剛構橋設計

蔣 霏

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

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高烈度震區中低速磁浮交通T形剛構橋設計

蔣 霏

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

中低速磁懸浮交通具有環保、安全性高、轉彎半徑小、爬坡能力強、建設成本低等優點，在城市軌道交通發展建設中前景廣闊。T形剛構是目前我國最常用的大跨徑橋形之一，能夠適應特殊的地形情況或市政規劃要求。以北京中低速磁懸浮交通線路S1線工程設計為例，對位于高烈度震區的(54+54)m的預應力混凝土T形剛構橋開展結構設計研究，并進行剛壁墩在罕遇地震下的延性抗震驗算。

中低速磁浮交通T形剛構 結構設計 延性設計 彈塑性分析

中低速磁懸浮交通具有環保、安全性高、爬坡能力強、轉彎半徑小、建設成本低等優點，而橋梁結構以工后沉降變形小、結構耐久性好、適應性強、整體性好等特點在我國的工程交通項目中占據著越來越重要的位置。T形剛構(以下簡稱T構)是目前我國最常用的幾種大跨徑橋形之一，具有強度、剛度可靠，同時養護工作量小、設計及施工經驗成熟的特點，能夠適應特殊的地形情況或市政規劃要求。在中低速磁懸浮交通工程中，由于列車的活載類型和動力形式與傳統軌道交通項目不相同，常常會采用T形剛構橋形式。對于高烈度震區的橋梁，需保證其抗震作用下的安全性。

因此，對高烈度震區中低速磁浮交通工程T形剛構橋結構設計進行研究，對保證T構的經濟性和安全性有重要的意義。

以北京中低速磁浮交通S1線工程(54+54) m預應力混凝土T構橋為研究對象，研究高烈度震區T構橋在磁浮交通項目中合理的結構尺寸，并進行剛壁墩在罕遇地震下彈塑性時程響應分析和延性抗震驗算。

1 工程概述

北京中低速磁懸浮交通線路S1線為北京市首例中低速磁懸浮項目。結合規劃要求，采用2聯跨度為(54+54) m的T構橋跨越三石路南延及規劃一路，兩聯T構共用的聯間墩設置在規劃三石路南延的中央分隔帶。

2 主要技術標準

(1)設計速度：70 km/h。

(2)線路情況：雙線線間距范圍4.71～6.39 m。，線路縱斷面位于53‰的縱坡及平坡上，線路平面位于半徑R300 m的圓曲線及緩和曲線上。

(3)軌道類型：中低速F軌，軌頂至梁頂距離為1.4 m。

(4)設計活載：磁浮列車活載。

(5)二期恒載：采用104 kN/m。

(6)地震：地震基本烈度為Ⅷ度，動峰值加速度為0.2 g。

(7)設計使用年限：正常使用條件下結構設計使用壽命為100年[1]。

3 結構設計分析

3.1 梁部結構構造

梁部直接承受荷載，為結構提供豎向剛度，因此梁部的主要參數是兩端部和根部的梁高。根據T構橋的受力體系，主梁根部位置會有較大的負彎矩，一般情況下，均需要適當加大梁高。根據《預應力混凝土連續梁橋設計》[7]，預應力混凝土連續梁結構的跨中部位截面高度一般為跨度的1/30～1/50，支點部位截面高度可選用1/15～1/20。對比分析三跨常規連續剛構和兩跨T構(剛構中跨跨徑與T構跨徑相同)，T構剛壁墩截面處負彎矩約為剛構的1.95倍。因此，兩跨T構的梁高應比同等跨徑的三跨連續剛構橋更大。

經比選后確定的梁部結構尺寸如圖1～圖2所示。梁部為變截面預應力混凝土箱梁，采用單箱單室斜腹板截面，腹板斜率為3.5∶1，剛壁墩處梁高為480 cm，邊支點處梁高為250 cm；梁高按二次拋物線變化。橋面寬12.4 m；頂板厚度在梁端和剛壁墩頂局部加厚，其余均為35 cm；底板厚度35～90 cm，按拋物線變化；腹板厚度50～65～80 cm，按折線變化，端支點處腹板局部加厚到120 cm；全聯在邊支座和剛壁墩墩頂處共設3道橫隔板，橫隔板設過人孔。邊支座處隔板厚度1.5 m，剛壁墩處隔板厚度3.2 m。

圖1 T構橋立面(單位：cm)

圖2 梁部橫截面(單位：cm)

3.2 墩梁固結區構造

墩梁固結區域是T構的主要受力區域，是T構橋擴散應力、傳遞荷載的重要部位。通過有限元局部應力分析，在局部構造設計中增加了橫隔板的橫向預應力，并加強了鋼筋配置。

3.3 墩身結構構造

本T構的剛壁墩墩高10 m，結合項目整體特點，剛壁墩采用圓端形實體墩，縱向寬3.2 m，橫向寬5.37 m，采用方案如圖3所示。

圖3 剛壁墩橫截面(單位：cm)

3.4 梁部結構計算

利用Midas/Civil程序，采用三維彈性空間梁單元進行有限元模擬計算分析。

由于磁浮列車較強的轉彎和爬坡能力，本T構橋位于R=300 m的曲線和坡度為53‰的斜坡上，參考《鐵路小半徑曲線梁橋設計研究》[10]，考慮曲線梁橋的彎扭耦合效應和大縱坡對剛壁墩結構受力的影響，T構模型按照實際曲線半徑和橋面斜率進行模擬。橋梁支座的約束方向與曲線的徑向和法向保持一致。

計算模型如圖4所示。

圖4 全橋有限元模型

(1)梁部剛度

梁部剛度檢算結果如表1、表2所示。

表1 梁部豎向撓度檢算結果

表2 梁端轉角檢算結果

由表1～表2可知：梁部檢算的最大撓跨比和最大梁端轉角均滿足規范限值要求。

(2)梁部應力指標及設計安全系數

梁部應力指標及設計安全系數如表3所示。

表3 應力指標及設計安全系數

由表3可知：梁部檢算的應力指標及設計安全系數均滿足規范限值要求。

4 高烈度區橋墩延性設計分析

T構橋的梁部結構質量大，橋梁結構在地震作用下的響應過程會產生較大的結構內力及變形，有必要對結構進行抗震設計和研究。根據《鐵路工程抗震設計規范》[5]要求，本T構應采用彈塑性時程分析法進行罕遇地震作用下的抗震分析。從人工地震波擬合、自振特性分析及延性抗震驗算三個方面對本橋進行深入分析，以保證T構的安全。

4.1 人工擬合規范反應譜地震時程

本項目抗震設計防烈度為Ⅷ度，場地土類別為II類，特征周期分區為一區，設計地震動峰值加速度值0.2g。本橋需進行彈塑性時程計算，以保證結構安全。

地震波采用人工擬合方法得到，以規范反應譜曲線為目標，采用傅里葉變化迭代法進行人工地震波合成。通過合成，得到的人工地震動擬合反應譜曲線如圖5所示。

圖5 人工地震波與規范反應譜對比曲線

《公路橋梁抗震設計細則》[4]中要求，抗震計算所采用地震波時程曲線應不少于三組，且相關系數小于0.1，通過計算，生成的三條地震動之間的相關系數：1與2為0.017，2與3為0.067，1與3為0.04，均滿足規范要求。三條罕遇地震動時程曲線如圖6～圖8所示。

圖6 地震動時程曲線1(持時100 s；時間間隔0.02 s)

圖7 地震動時程曲線2(持時100 s；時間間隔0.02 s)

圖8 地震動時程曲線3(持時100 s；時間間隔0.02 s)

4.2 自振特性分析

自振特性分析采用蘭索斯法計算。T構部分模態的頻率、周期和描述如表4所示，部分振形如圖9所示。

表4 自振特性

圖9 T構橋部分振形

計算結果表明：三條地震波作用下剛壁墩墩底引起的最大彎矩為105 500 kN·m，引起的最大剪力為19 130 kN，墩頂引起的最大縱向位移為3.38 cm，結果時程曲線如圖10～圖12所示。剛壁墩的墩底截面彎矩-曲率關系曲線如圖13所示。分析表明：剛壁墩已進入到塑性狀態，混凝土開裂，外側縱筋屈服，應進一步進行延性比計算。

圖10 剛壁墩位移時程曲線

圖11 剛壁墩彎矩時程曲線

圖12 剛壁墩剪力時程曲線

圖13 剛壁墩墩底截面彎矩-曲率關系曲線

4.3 罕遇地震下橋墩延性抗震特性分析

上節計算結果表明：在罕遇地震下，T構剛壁墩墩身構件已經進入到屈服階段。根據《鐵路工程抗震設計規范》[5]，應再對剛壁墩進行延性抗震驗算。

延性系數計算公式為

式中，μu表示非線性位移延性比；[μu]表示允許位移延性比，規范限值為4.8；Δmax表示橋墩的非線性響應最大位移；Δy表示橋墩的屈服位移。

三條罕遇地震波作用下剛壁墩的非線性位移延性比計算結果如表5所示。

表5 T構剛壁墩位移延性比計算結果

由表5可知，剛壁墩塑性位移延性比最大值為1.36，滿足規范的延性比限值要求。

5 結束語

通過對北京中低速磁浮交通S1線(54+54) m預應力混凝土T構橋的設計，對磁浮交通中經常采用的T構橋的結構尺寸、模型建立方法、罕遇地震下橋梁彈塑性地震時程響應分析方法開展深入研究，驗證了建模方法的有效性，保證了T構橋控制構件剛壁墩在罕遇地震下的結構和延性安全性。所提出的建模分析方法對同類工程的設計提供了有益的參考。

[1] 中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005鐵路橋涵設計基本規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005

[2] 中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005

[3] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50157—2013地鐵設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2013

[4] 中華人民共和國交通運輸部.JTG/T B02—01—2008公路橋梁抗震設計細則[S].北京：人民交通出版社，2008

[5] 中華人民共和國鐵道部.GB 50111—2006鐵路工程抗震設計規范[S].北京：中國計劃出版社，

[6] 中華人民共和國交通部.JTGD62—2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].北京：人民交通出版社，2004

[7] 徐岳，王亞君，萬振江.預應力混凝土連續梁橋設計[M].北京:人民交通出版社，2000

[8] 禚一，王菲.罕遇地震下城際鐵路連續梁橋延性抗震設計[J].鐵道工程學報，2012(4):66-71

[9] 饒少臣.大跨高墩T構鐵路橋設計研究[J].鐵道標準設計，2005(11):52-56

[10]胡萬華，陳思孝.鐵路小半徑曲線梁橋設計研究[J].高速鐵路技術，2015(1):48-50

The Design of T Type Rigid FrameBridge Low and Medium Speed Urban Maglev in High Intensity Earthquake

JIANG Fei

2016-09-26

蔣 霏(1985—)，2007年畢業于西南交通大學土木工程專業，工程師。

1672-7479(2016)06-0110-04

U448.23+1；U442.5+

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