铁路斜弯刚构连续梁桥抗震设计主方向研究

2010-01-29孙大斌

铁道标准设计 2010年11期

全伟,孙大斌

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142)

1 概述

由于受线形、美观和功能的要求,在铁路建设中,经常会出现桥墩斜置且(或者)主梁线形为曲线的刚构连续梁,即斜弯刚构连续梁。目前,对该类桥型的受力特性已进行了广泛的研究[1～7]。在进行抗震设计时,一般依据抗震规范的要求,分别计算顺桥向和横桥向的水平地震作用,然后与其他荷载组合进行抗震验算。笔者指出了该种处理方法的不足,无论是采用反应谱法还是时程分析方法对该类桥梁进行地震反应分析时,应考虑主方向,即最不利输入方向的影响。给出了考虑最不利输入方向的计算公式,可供斜弯刚构连续梁这种结构的抗震设计提供参考。

2 工程实例

以北京南站改扩建工程凉水河中桥为例进行说明,该桥为京沪高速铁路、京津城际铁路、京山改线共24股道跨越凉水河而设,位于北京南站西侧出口处。铁路线路跨越凉水河处为半径R=400 m、R=600 m的曲线,且股道较多；结构形式为四跨斜弯刚构连续梁结构。

斜弯刚构连续梁采用无梁板结构。主梁为现浇钢筋混凝土板梁,除刚壁墩支点处板厚为1.55 m,其余板厚均为0.95 m。单体桥之间预留2 cm结构缝,悬臂板厚为0.4～0.2 m渐变。刚壁墩采用钢筋混凝土圆端形刚壁墩,刚壁墩高5.9 m,墩厚0.70 m,桥墩斜置,桥墩桥台采用一字台,斜交正做,桥台长2.5 m,并设有台后混凝土块。基础采用φ1.0 m钻孔桩基础,刚壁墩承台厚2.5 m,桥台承台厚2.0 m。

桥址范围内地层为第四系全新统冲积层(Q4al)及第四系上更新冲洪积层(Q3al+pl),表层局部为人工堆积层(Q4ml),主要为：粉土粉砂、细砂、中砂、圆砾土、卵石土。土壤最大冻深为0.8 m。

建模时,以线路左线在中墩中心线处的切线定义为x轴,1号、2号和3号墩与x轴夹角分别为27°、29°和31°。用Midas软件建立的有限元模型如图1所示。

图1 L桥(京山改线)计算模型

3 斜弯桥地震输入主方向

假定地震动与桥梁主轴x成α角度输入,桥梁主轴一般可取为桥梁两边墩或者两桥台的连线,铁路斜弯刚构连续梁在地震动agx作用下的运动微分方程如下[8～9]

(1)

式中 -MIxagx——agx沿x轴输入时的地震力；

-MIyagx——agx沿y轴输入时的地震力；

M、C、K——分别为结构的质量、阻尼和刚度矩阵；

Ix和Iy——影响向量,Ix的元素取0或者1,即与x方向对应的自由度取1,其他自由度取0；Iy具有类似的特性,分别在与结构y方向对应的自由度取1,其他自由度取0。

目前我国《铁路工程抗震设计规范》为三水准设防,两阶段设计[10]。多遇地震作用下,结构处于弹性工作阶段之内,由于所分析桥梁为线性,可以得到桥梁任意响应R的计算公式

R=Rxxcosα+Rxysinα

(2)

式中,Rxx、Rxy分别为agx沿着x和y方向输入时结构的响应。

对公式(2)进行变换

(3)

该公式不仅适用于反应谱法，同时也适用于时程分析法,对斜弯刚构连续梁进行顺桥向和横桥向的任意两次线弹性地震反应分析,就可以很方便的求得地震激励的最不利输入角度和最不利值。

4 数值结果

4.1 反应谱法

根据《铁路工程抗震设计规范》要求[10],抗震验算时应分别计入顺桥向和横桥向的水平地震作用。该桥场地土类别为Ⅱ类Ⅰ区,地震基本烈度为Ⅷ度,地震动峰值加速度为0.2g。地震动反应谱曲线如图2所示。

图2 输入反应谱曲线

由于地震作用下,桥墩往往是抗震设计的薄弱环节,故以桥墩受力为例进行说明。图3给出了顺桥向和横桥向地震动输入时,1号桥墩单位板宽弯矩Myy的云图。桥墩内力在单位坐标系上表示,Myy为纵向弯矩,Mxx为横向弯矩,Mxx不控制设计。从图上可以看出,桥墩在地震作用下墩底和墩顶截面受力较大,墩中部截面受力较小。相比之下,墩底截面受力最大。其中,顺桥向地震作用下,墩底单位板宽弯矩Myy最大,为331.2 kN·m,如图3(a)所示；横桥向地震作用下,墩底单位板宽弯矩Myy为173.9 kN·m。

图3 单位板宽弯矩Myy云图

为了验证分析结果,沿与x轴成27.7°输入规范反应谱曲线,求得1号墩墩底部Myy云图,如图4所示。

图4 最不利输入方向单位板宽弯矩Myy云图

从图4可以看出,在最不利输入角度下,1号墩底部单位板宽最大弯矩Myy=373.9 kN·m,与本文公式求得Myy=374.1 kN·m基本一致。

因此,在进行铁路桥梁多遇地震作用下的验算时,对于斜弯刚构连续梁,应该考虑最不利输入角度的影响,采用本文提出的方法,并不增加计算量,即可求得桥梁在最不利输入方向的响应值,保证桥梁安全。

4.2 时程分析法

在对桥梁进行时程反应分析时,选取频谱丰富,适用于Ⅱ类场地土的El Centro地震动南北分量作为地震输入。由于对应于设计地震0.2g的多遇地震水平地震加速度峰值为0.07g,利用比例调整法调幅到0.07g。输入时程曲线如图5所示。

图5 El Centro地震动时程曲线(前20 s)

图6给出了顺桥向和横桥向输入时程曲线时,1号桥墩单位板宽弯矩的云图。同样可以看出,桥墩在地震作用下墩底和墩顶截面受力较大,墩中部截面受力较小。墩底截面受力最大,其中顺桥向地震作用下,墩底单位板宽弯矩Myy最大,为596.5 kN·m,如图6(a)所示,横桥向地震作用下,墩底单位板宽弯矩Myy为315.0 kN·m,如图6(b)所示。