帽梁与墩柱刚度比对门式墩受力的影响

2010-07-23刘阳明

四川建筑 2010年2期

刘阳明

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北武汉 430063)

1 门式墩受力特点

昆明市轨道交通首期工程世纪城站～五腊村站为路中高架,且车站采用岛式车站,导致线路线形出现“喇叭口”,受到线路线形及彩云路路中绿化带宽度的限制,在车站附近都采用两片单线梁并置跨越,下部结构采用门式墩和钻孔桩基础。门式墩与基础作为一个整体参与受力,桩基础模拟已经在以往很多文献中都有论述,桩基模拟的方法相对比较成熟。本文对桩基础的模拟就不再赘述了,重点阐述门式墩帽梁与墩柱内力合理分配的问题。门式墩是帽梁与墩柱刚性连接的整体结构,两者一起承受荷载,帽梁受力特性类似连续梁中跨那样,弯矩在墩柱与帽梁连接处为负,在帽梁中部为正;墩柱弯矩线性分布,墩柱底、柱顶内力分配是我们比较关心的。

2 帽梁与墩柱刚度比对门式墩受力的影响

2.1 帽梁与墩柱刚度比

图1 有限元模型

首先,介绍帽梁与墩柱刚度比(以下简称刚度比)的概念。帽梁的刚度与墩柱的刚度之比,称为刚度比,一般用 K表示,计算公式如下:

其中:I1为帽梁的截面惯性矩;l为帽梁的跨度;I2为墩柱的截面惯性矩;h为墩柱的高度;I1/l为帽梁的刚度;I2/h为墩柱的刚度。

2.2 刚度比对竖向荷载作用效应的影响

本文以昆明轨道交通首期工程 1号线体育城南站～五腊村站 143#门式墩为实例。该门式墩基本尺寸如下:帽梁截面顺桥向 2.6 m、高 2.2 m,墩柱截面为 2 m×2 m,承台顺桥向×横桥向为 5.8m×6 m。采用 MIDAS建立有限元模型,模型如图 1所示。本文以实际尺寸进行简单处理,通过调整墩柱惯性矩I2来调整帽梁与墩柱的刚度比,在帽梁跨中施加1000 k N竖向荷载,探讨竖向荷载作用效应与刚度比之间的关系。竖向荷载作用效应与刚度比关系曲线如图 2所示。

图2 竖向荷载作用效应与刚度比关系曲线

由关系曲线可以得出如下结论:帽梁跨中弯矩随着刚度比的增大而增大并逐步趋于稳定,墩柱顶弯矩和墩柱底弯矩的绝对值随着刚度比的增大而减小并逐步趋于稳定。一般将刚度控制在 3～15为宜,这样可以有效地控制竖向荷载作用效应。

2.3 刚度比对纵向荷载分配的影响

在门式墩的计算过程中,需要把作用在帽梁的纵向荷载分配给每个墩柱。一般设计者都是按照“杠杆法”将纵向荷载分配到每个墩柱,这种方法将帽梁与墩柱的连接视为铰接,明显是不准确的。本文以昆明轨道交通首期工程 1号线体育城南站～五腊村站 143#门式墩为实例,以实际尺寸进行简单处理,通过调整墩柱惯性矩I2来调整帽梁与墩柱的刚度比,在帽梁距左墩柱顶 l/3(l为帽梁的跨度)处施加 1000 k N纵向荷载,探讨墩柱纵向荷载分配与刚度比之间的关系。墩柱纵向荷载分配与刚度比关系曲线如图 3。

图3 墩柱纵向荷载分配与刚度比关系曲线

根据实际尺寸计算刚度比K=0.91,按照“杠杆法”计算得到左墩柱剪力为 666.7k N、右墩柱剪力为 333.3k N。刚度比在 0～4区间内,弯矩值基本上是关于 K=0.91对称分布的,并且偏离该对称轴越远越接近“杠杆法”计算所得值。刚度比在 4～15区间内,弯矩值基本趋于稳定,变化很小。

2.4 刚度比对地震荷载作用效应的影响

据《建筑抗震设计规范》(2008版)划分,昆明抗震设防烈度为 8度,设计基本地震加速度值为 0.20g,设计地震分组第二组。昆明属于地震高烈度区域,桥墩的配筋往往是地震力荷载控制,所以探讨地震力作用效应是非常必要的。本文以上述的 143#门式墩为实例,以实际尺寸进行简单处理,通过调整墩柱惯性矩I2来调整帽梁与墩柱的刚度比,采用MID A S建立有限元模型,采用反应谱法计算门式墩地震力(本文只考虑门式墩自身对地震的响应,不考虑外荷载对地震的响应),探讨地震力作用效应和刚度比之间的关系。经计算表明,左右墩柱的地震响应基本相等且规律也相同,故只列出左墩柱底及墩柱顶的弯矩和剪力值。

表1为不同刚度比的情况下,墩柱底和墩柱顶弯矩及剪力分配表。为了更直观的找出规律,将刚度比与墩柱底内力分配比例用曲线表示出来。墩柱底内力分配比例与刚度比的关系曲线如图 4。

图4 墩柱底内力分配比例与刚度比的关系曲线

由图 4可以明显得出如下规律:墩柱底纵向弯矩、墩柱底纵向剪力及墩柱底横向剪力分配比例对刚度比的敏感性不强,而墩柱底横向弯矩的分配比例在刚度比 0～1区间内变化很大,在刚度比 1～4区间内变化较小。从而不难得出,刚度比在 1～4区间内,门式墩地震力作用效应比较稳定,且墩柱底与墩柱顶内力分配较均匀,墩柱的受力比较合理,墩柱配筋较合理,不至于过于浪费。