彈性支承塊式軌道橋梁地震響應(yīng)設(shè)計(jì)

文 / 云南京建軌道交通投資建設(shè)有限公司 陳爵

本文從地震作用角度出發(fā)，選取彈性支承塊式軌道橋梁作為案例，借助有限元軟件Midas Civil，完成有限元模型分析，并結(jié)合典型地震波作用，分析案例地震響應(yīng)情況。研究結(jié)果顯示，以主梁結(jié)構(gòu)作為研究重點(diǎn)，不考慮結(jié)構(gòu)形式在設(shè)計(jì)方面具有更高的安全性。但是如果將結(jié)構(gòu)形式考慮在內(nèi)，橋墩頂位移更符合行業(yè)要求。因此，于抗震設(shè)計(jì)而言，可選擇將結(jié)構(gòu)形式考慮在內(nèi)，確保設(shè)計(jì)安全性。

引言

目前，彈性支承塊式軌道橋梁在行業(yè)中應(yīng)用較為常見。該結(jié)構(gòu)最早在瑞士得以應(yīng)用，后被我國引進(jìn)。它能夠有效提升整體性能，特別是在抗震性能方面具有較為明顯優(yōu)勢。具體而言，應(yīng)用彈性支承塊式軌道橋梁，不僅彈性良好，并且具備一定減振降噪功能。本文對該結(jié)構(gòu)地震的響應(yīng)及設(shè)計(jì)展開分析。

研究背景

近年來國內(nèi)地震災(zāi)害頻發(fā)，既往城市軌道交通橋梁在應(yīng)用過程中受到強(qiáng)震影響，引發(fā)線路軌道幾何不平順情況，導(dǎo)致行車安全性下降。因此，以保障行車安全作為研究重點(diǎn)，應(yīng)加強(qiáng)地震響應(yīng)設(shè)計(jì)。選擇彈性支承塊式軌道橋梁，并通過合理選擇結(jié)構(gòu)模式，進(jìn)一步提升橋梁抗震性設(shè)計(jì)。

案例分析

本文選取彈性支承塊式軌道橋梁作為典型案例，展開研究，將其劃分為考慮、不考慮結(jié)構(gòu)形式兩種，借助有限元軟件Midas Civil，經(jīng)抗震計(jì)算，建立模型。在這一過程中，不納入車輛因素。針對考慮軌道結(jié)構(gòu)形式，主要使用結(jié)構(gòu)為彈性支承塊式軌道結(jié)構(gòu)，以動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，形成仿真模型。仿真模型見圖1。

圖1 模型圖

建立地震響應(yīng)模型

在對模型進(jìn)行初步設(shè)計(jì)后，2種模型均選擇連續(xù)箱梁橋作為結(jié)構(gòu)，可借助等截面形式，對箱梁進(jìn)行處理，并以二次拋物線作為中墩、邊墩的梁高，在各跨度中，分別設(shè)置橫隔板。同時(shí)，對主梁截面參數(shù)進(jìn)行控制，詳見表1。

表1 主梁截面參數(shù)

為便于對后續(xù)橋梁抗震性能進(jìn)行分析，建立有限元模型。其中，各跨度需要借助三維梁單元進(jìn)行描述，并使用滯后系統(tǒng)，對支座進(jìn)行模擬處理，以節(jié)點(diǎn)彈性作為支承，選擇土彈簧形式，對樁土相互作用進(jìn)行模擬。

針對不考慮結(jié)構(gòu)形式，在模型構(gòu)建完成后，模型中需要保持荷載與橋梁進(jìn)行直接作用，并做好線荷載集度控制工作，該項(xiàng)指標(biāo)保持在104.9kN/m。針對考慮結(jié)構(gòu)形式，在模型構(gòu)建過程中，可借助梁單元，模擬橋梁內(nèi)部組成部分。在模型計(jì)算過程中，需要以上部結(jié)構(gòu)作為依據(jù)，結(jié)合線荷載集度參數(shù)情況，確保計(jì)算準(zhǔn)確性，建立完成有限元模型，為后續(xù)地震響應(yīng)計(jì)算奠定基礎(chǔ)。

地震響應(yīng)計(jì)算

針對橋梁結(jié)構(gòu)而言，自振頻率、振型與動(dòng)力性能密切相關(guān)，并且能夠?qū)ζ溥M(jìn)行一定的反應(yīng)。借助有限元軟件Midas Civil，經(jīng)多重Ritz向量法，對兩種橋梁模型進(jìn)行分析，可獲取到特征值。在這一過程中，需要將不同模態(tài)考慮在內(nèi)。基于不考慮結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算公式為，其中，Gt為支座頂面質(zhì)量重心換算質(zhì)點(diǎn)重力，Gsp為橋梁上部結(jié)構(gòu)重力，Gp為墩身重力，Gcp為蓋梁重力，為重力換算系數(shù)，順橋向振型質(zhì)量計(jì)算結(jié)果為99.77%，橫橋向?yàn)?9.68%，豎向?yàn)?9.98%。而基于考慮結(jié)構(gòu)形式，在模型中，三種振型質(zhì)量參數(shù)分別為99.90%、99.68%、99.99%，符合橋梁抗震設(shè)計(jì)相關(guān)要求。

本文選取6階自振周期進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。基于不考慮結(jié)構(gòu)，在第1階，周期為0.561，振型為每增加豎向彎曲，兩聯(lián)主梁均處于豎彎狀態(tài)，經(jīng)順橋向，主梁可保持同向振動(dòng)，在橋墩中，針對順橋向，主要呈現(xiàn)同向彎曲振動(dòng)。在第2階，周期為0.530，振型為每增加豎向彎曲，兩聯(lián)主梁均處于同向豎彎狀態(tài)，經(jīng)順橋向，主梁將保持反向振動(dòng)狀態(tài)，在順橋向，橋墩振動(dòng)形式為同向彎曲。在第3階，周期為0.520，振型為每增加豎向彎曲，兩聯(lián)主梁均處于同向豎彎狀態(tài)，在順橋向，主梁主要振動(dòng)為同向，經(jīng)順橋向，橋墩振動(dòng)需要保持同向彎曲。在第4階，周期為0.486，每增加豎向彎曲，兩聯(lián)主梁將會(huì)出現(xiàn)反向豎彎，并且在順橋向，該主梁振動(dòng)呈現(xiàn)反向，并且在橋墩中，主要呈現(xiàn)反向彎曲振動(dòng)。在第5階，周期為0.482，每次彎曲時(shí)，主梁均呈現(xiàn)同向平彎狀態(tài)，并且在橫橋向，橋墩振動(dòng)將會(huì)呈現(xiàn)同向彎曲。在第6階，周期為0.474，在每次出現(xiàn)彎曲后，主梁將會(huì)出現(xiàn)反向平彎狀態(tài)，在橫橋向，橋墩將會(huì)呈現(xiàn)反向彎曲振動(dòng)。

基于考慮結(jié)構(gòu)，在第1階，周期為0.547，振型為每增加豎向彎曲，主梁將會(huì)出現(xiàn)同向豎彎情況，在順橋向，橋墩處于同向彎曲。在第2階，周期為0.465，振型為每增加豎向彎曲，主梁將會(huì)保持同向平彎，在橫橋向，橋墩將會(huì)處于彎曲振動(dòng)狀態(tài)。在第3階，周期為0.446，振型為每增加豎向彎曲，主梁將會(huì)呈現(xiàn)同向平彎狀態(tài)，在橫橋向，需要保持主梁呈現(xiàn)同向彎曲振動(dòng)情況。在第4階，周期為0.390，在增加豎向彎曲后，主梁主要呈現(xiàn)反向平彎狀態(tài)，當(dāng)處于橫橋向時(shí)，橋墩的振動(dòng)狀態(tài)將會(huì)呈現(xiàn)反向彎曲。在第5階，周期為0.384，振型為針對一聯(lián)主梁，在豎向彎曲的情況下，另外的主梁不會(huì)發(fā)生振動(dòng)情況，經(jīng)順橋向，橋墩主要呈現(xiàn)反向彎曲振動(dòng)。在第6階，周期為0.310，振型為針對兩聯(lián)主梁，彎曲主要呈現(xiàn)對稱水平方向，在橫橋向，橋墩的振動(dòng)主要呈現(xiàn)反向彎曲。

結(jié)合上述數(shù)據(jù)可知，對比不考慮結(jié)構(gòu)形式，考慮結(jié)構(gòu)形式自振周期更小，這主要與模型在構(gòu)建過程中將軌道質(zhì)量、剛度考慮在內(nèi)有關(guān)。而在不考慮結(jié)構(gòu)形式中，模型構(gòu)建主要以軌道質(zhì)量作為依據(jù)，未對軌道剛度等因素進(jìn)行考慮。因此，考慮結(jié)構(gòu)形式的模型在自振周期方面具有更小的自振周期。在6階模態(tài)中，對兩種模型的模態(tài)進(jìn)行觀察。兩者在第1階中的模態(tài)基本處于一致狀態(tài)，同時(shí)，考慮結(jié)構(gòu)形式模型中的第2階與不考慮模型中的第5階基本相同，前者第3階與第6階基本相同。這說明，以彈性支承塊式軌道橋梁作為研究重點(diǎn)，受到結(jié)構(gòu)形式不同影響，將會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力響應(yīng)出現(xiàn)一定改變，但整體影響幅度相對較低。

在進(jìn)行地震荷載增加前，以整體結(jié)構(gòu)著手，將荷載采取動(dòng)力的方式進(jìn)行添加，借助有限元模型Midas Civil，獲取最終效應(yīng)，對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)進(jìn)行分析。針對地震動(dòng)峰值，如果加速度處于0.2g，基于橫橋向、順橋向，兩種結(jié)構(gòu)形式模型在位移值方面并不相同，但是變化規(guī)律處于一致狀態(tài)。在地震動(dòng)作用強(qiáng)度不同的情況下，與考慮結(jié)構(gòu)形式相比較，不考慮結(jié)構(gòu)形式主梁位移值更高，但是該模型在橋墩頂位移方面存在過小的問題。調(diào)整地震動(dòng)峰值，如果加速度為0.1g，針對不考慮結(jié)構(gòu)形式，墩頂位移為47.2mm，考慮結(jié)構(gòu)形式為51.0mm，存在一定的誤差。相關(guān)研究表明，在橋墩頂位移過大的情況下，將會(huì)增加橋梁倒塌風(fēng)險(xiǎn)。因此，可選擇考慮結(jié)構(gòu)形式，完成抗震設(shè)計(jì)，能夠確保橋墩頂位移值符合實(shí)際地震響應(yīng)需求。

對于主梁結(jié)構(gòu)而言，對比考慮結(jié)構(gòu)形式，在支點(diǎn)負(fù)彎矩、跨中正彎矩、支點(diǎn)剪力方面，不考慮結(jié)構(gòu)形式相對更高，具有更高的安全性。結(jié)合地震動(dòng)強(qiáng)度增加，觀察主梁內(nèi)力值，同樣也會(huì)呈現(xiàn)增長趨勢。究其原因，軌道、主梁結(jié)構(gòu)均能夠在一定程度上對地震荷載進(jìn)行承擔(dān)，但是在不考慮結(jié)構(gòu)形式的情況下，軌道承載作用往往會(huì)直接被忽視，在模型中，主要由主梁單方面完全承擔(dān)地震荷載作用。因此，以主梁結(jié)構(gòu)展開研究，不考慮結(jié)構(gòu)形式雖然能夠確保設(shè)計(jì)安全性，但針對實(shí)際設(shè)計(jì)工作，可選擇考慮結(jié)構(gòu)形式作為設(shè)計(jì)方法，確保主梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到最大化發(fā)揮。

結(jié)語

綜上所述，針對有限元模型分析顯示，不考慮結(jié)構(gòu)形式主梁位移值更高，進(jìn)而造成橋墩頂位移過小，因此，以提高抗震設(shè)計(jì)作為重點(diǎn)，應(yīng)選擇考慮結(jié)構(gòu)形式模型。同時(shí)，對比支點(diǎn)負(fù)彎矩、跨中正彎矩、支點(diǎn)剪力，不考慮結(jié)構(gòu)形式相對更高。基于地震動(dòng)強(qiáng)度提升，兩種模型內(nèi)力值將會(huì)隨之提升。說明針對主梁結(jié)構(gòu)，不考慮結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)思路相對保守，實(shí)際設(shè)計(jì)中可選擇考慮結(jié)構(gòu)形式完成抗震設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)安全性。