跨座式单轨轨道梁桥抗震性能研究

周 腾

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 概述

跨座式单轨具有环保、噪声低、爬坡能力强、适用性强等特点,近年来在国内发展迅速[1]。按照结构类型,跨座式单轨轨道梁桥可分为连续刚构和简支梁体系[2],两种体系各有优缺点。简支梁体系受力明确、施工方便,日本、韩国和重庆轨道交通2 号线、3 号线均采用简支梁体系[3]。连续刚构体系接缝少、舒适性好,巴西圣保罗和我国在建芜湖轨道交通1 号线、2 号线一期均采用连续刚构体系[4]。

地震作为一种常见自然灾害,对桥梁工程安全影响较大,而跨座式单轨中高架区间占比较大[5],保证地震作用下轨道梁桥的安全显得尤为重要,故有必要对跨座式单轨轨道梁桥的抗震性能进行深入研究。

目前,已有部分学者对轨道交通抗震性能进行研究,其中,洪沁烨以柳州轨道交通高架车站为例,采用反应谱法和弹塑性时程分析方法研究高架车站的抗震性能[6];王光裕等采用MIDAS CIVIL 软件建立全桥模型,对6 度区“桥建合一”独柱长悬臂高架车站结构进行多遇和罕遇地震分析[7];刘国超以重庆市跨座式单轨40.5 m 简支钢轨道梁为研究对象,采用反应谱法和时程分析法分析钢轨道梁的应力和位移响应[8];刘恒源提出列车-轨道-连续刚构桥空间动力模型,通过动态时程分析方法分析地震作用下桥梁动力响应[9]。综上所述,目前对于轨道交通抗震性能研究以车站为主,对单轨轨道梁桥的抗震性能研究相对较少。

芜湖跨座式单轨采用连续刚构体系,以常用墩高和跨度的连续刚构轨道梁桥为例,分析7 度和8 度地震烈度下连续刚构轨道梁桥的抗震性能,为今后类似结构形式轨道梁桥设计提供参考。

2 工程概况

2.1 计算对象

芜湖轨道交通高架区间以连续刚构为主、简支梁为辅,其中连续刚构以10～15 m 墩高范围、30 m 标准跨应用较多,以1 联3×30 m、墩高15 m、4.6 m 线间距、直线连续刚构轨道梁桥为例进行抗震计算。连续刚构轨道梁桥结构形式如图1、图2 所示。

图1 连续刚构轨道梁桥立面布置(单位:cm)

图2 连续刚构桥墩结构

2.2 设计参数

连续刚构墩柱采用带倒角矩形截面,盖梁采用花瓣形截面,轨道梁采用变高矩形截面,桩基均采用2 根φ1.25 m 灌注桩,桥墩参数见表1。

表1 桥墩尺寸参数 m

2.3 地质概况

根据岩土工程勘察报告,芜湖轨道交通1 号线和2 号线一期沿线地层变化较大,主要由填筑土、粉质黏土、粉砂和不同风化程度的岩层组成。

根据地震安评报告,芜湖轨道交通1 号线和2 号线一期抗震设防烈度为6 度,设计水平地震基本加速度为0.05g。如按设防烈度6 度考虑,将导致地震工况对轨道梁桥的影响不明显,故以7 度和8 度抗震设防烈度为例进行抗震分析。

3 抗震计算方法与设防目标

3.1 抗震设防目标

根据GB50458—2008《跨座式单轨交通设计规范》[10],地震作用应按照GB50111—2006《铁路工程抗震设计规范》的规定计算[11]。按照多遇地震、设计地震和罕遇地震进行三水准抗震设计,根据结构重要性分为A、B、C、D 四个设防类别。GB/T 51234—2017《城市轨道交通桥梁设计规范》要求[12],桥梁抗震设防类别不低于B 类。故按照B 类桥梁进行抗震计算,抗震设防目标如表2 所示。

表2 抗震设防目标

3.2 地震参数与计算方法

(1)多遇地震

按照GB50111—2006《铁路工程抗震设计规范》中7 度和8 度设防烈度反应谱进行多遇地震抗震分析,计算不同地震烈度下的桥墩内力和应力。本次抗震计算场地类型为Ⅲ类,特征周期为0.55 s,阻尼比为0.05,结构重要性系数为1.5。不同地震烈度下反应谱曲线如图3～图5 所示。

图3 7 度区0.1g 反应谱曲线

图4 7 度区0.15g 反应谱曲线

图5 8 度区0.2g 反应谱曲线

3.2.2 罕遇地震

以8 度(0.2g)地震工况为例进行罕遇地震计算分析,利用软件生成3 条加速度地震波,按非线性时程分析方法进行计算,验算结构延性变形能力[13]。地震波如图6～图8 所示。

图6 地震波1

图7 地震波2

图8 地震波3

3.3 计算模型

多遇地震计算利用MIDAS-CIVIL 建立3 联3×30 m 模型;罕遇地震计算利用SAP2000 建立三联3×30 m 模型,均采用梁单元模拟,其中第一联和第二联为边界条件。荷载包括:①结构自重;②活载,即单轨车辆轴重,其中横向计入50%活载引起的地震力。承台底采用6×6 耦合弹簧模拟桩基柔度,弹簧刚度由地基比例系数法计算得到。

4 地震结果分析

4.1 动力特性

特征值分析采用多重Ritz 向量法,选取前60 阶振型,满足振型参与质量大于90%的要求。前四阶主要为纵向和横向振型,且纵向振型比较靠前,各振型形状如图9～图12 所示。

图9 第1 阶振型(T=1.281 s)

图10 第2 阶振型(T=1.205 s)

图11 第3 阶振型(T=1.078 s)

图12 第4 阶振型(T=1.058 s)

4.2 多遇地震分析

多遇地震作用下,采用规范反应谱计算墩柱纵横向内力,并进行强度验算。纵桥向需验算墩顶和墩底应力,横桥向验算墩底应力。根据静力计算结果,中墩共布置88 根φ25 mm 的HRB400 钢筋,边墩共布置74 根φ28 mm 的HRB400 钢筋。根据内力计算结果,采用“secchk”软件对桥墩强度进行验算,验算结果如表3 所示。

表3 多遇地震验算 MPa

由计算结果可知,多遇地震作用下,地震烈度7 度(0.1g、0.15g)纵桥向和横桥向中墩和边墩强度均满足要求,即地震工况不控制墩柱配筋;8 度(0.2g)多遇地震作用下,边墩和中墩纵桥向强度满足要求,中墩横桥向强度不满足要求,需加强钢筋布置。

4.3 罕遇地震分析

罕遇地震计算时,顺桥向在墩顶和墩底设置塑性铰,横桥向在墩底设置塑性铰[14],基础和墩柱抗剪按照能力保护原则进行设计[15]。塑性铰区域的弯矩-转角滞回曲线如图13～图18 所示。

图13 纵桥向边墩墩顶弯矩-转角滞回曲线

图14 纵桥向边墩墩底弯矩-转角滞回曲线

图15 纵桥向中墩墩顶弯矩-转角滞回曲线

图16 纵桥向中墩墩底弯矩-转角滞回曲线

图17 横桥向边墩墩底弯矩-转角滞回曲线

图18 横桥向中墩墩底弯矩-转角滞回曲线

根据塑性铰滞回曲线,罕遇地震作用下,纵桥向中墩和边墩墩顶发生明显的塑性变形,墩底基本处于弹性状态;横桥向中墩和边墩墩底发生明显的塑性变形。塑性铰区域发生塑性变形,参照GB50909—2014《城市轨道交通结构抗震设计规范》进行墩柱变形能力验算,计算结果如表4 所示。

表4 转角变形验算

经验算,纵向罕遇地震作用下,边墩墩顶、边墩墩底和中墩墩顶均进入塑性,且转角变形满足要求,中墩墩底尚未屈服但处于临界状态;横向罕遇地震作用下,边墩墩底和中墩墩底均进入塑性且转角变形满足要求。

5 结论

以常规墩高、跨度连续刚构轨道梁桥为例,计算分析其在多遇和罕遇地震作用下的抗震性能,主要结论如下。

(1)7 度震区及以下,地震工况一般不控制结构设计;8 度震区情况下,连续刚构中墩横桥向较为不利,抗震设计过程中需着重考虑,可通过优化截面尺寸或者加强钢筋来满足抗震需求。

(2)8 度罕遇地震作用下,桥墩基本均进入塑性状态,转角变形满足规范要求,结构体系延性能力良好。