不同墩梁连接方式的长联大跨度铁路桥地震反应特性对比分析

霍学晋,高玉峰,李晓斌

(西南交通大学土木工程学院,成都 610031)

1 工程概述

福厦线乌龙江特大桥为双线铁路桥,设计旅客列车行车速度 250km/h。该桥主桥的初步设计拟定了 3种桥式,方案一:(80+3×144+80)m五跨连续梁;方案二:(80+3×144+80)m五跨连续刚构;方案三:(80+3×144+80)m五跨连续 -刚构组合结构。3种方案中主梁采用相同的结构形式,主梁根部梁高11.0m,跨中及边跨直线段梁高 6.0m,主梁线形按圆曲线变化。梁体采用 C55混凝土,为三向预应力体系。连续梁支座采用球形支座,伸缩缝选用特制铁路桥梁大位移伸缩缝。桥址处抗震设防烈度为 7度,地震动峰值加速度为 0.10g,反应谱特征周期 0.4 s。

3种方案中,墩的结构形式有所不同。方案一中各墩均采用等截面圆端形墩,顺桥向宽度中间固定墩为 8.0m,其他中间墩为 7.0m,边墩为 4.9m,横桥向宽度边墩为 11.5m,中间墩均为 10.5 m;方案二中边墩的尺寸与方案一相同,6～9号主墩采用双薄壁墩,柱间距为 8.4m,单肢柱在顺桥向的宽度为 2.5m,横桥向宽度为 9.7m;方案三中7号和8号中墩采用双柱墩,墩截面尺寸与方案二相同,其余桥墩采用独柱墩,墩的尺寸与方案一相同。墩的材料采用 C35混凝土。3种方案中,桩的布置形式和桩径也有所不同。方案一主墩墩底布置 16根桩,桩径为 2.5m,顺桥向和横桥向桩间距分别为 5.2m和 5.5m;方案二主墩单肢薄壁墩柱下均布置 10根桩,桩径为 2.0m,顺桥向和横桥向桩距均为 4.2m;方案三中边墩下桩基布置与方案一相同,6号和 9号墩下布置 20根桩,桩径 2.0m,顺桥向和横桥向桩距均为 4.4m,7号和 8号墩桩基布置与方案二相同。桩的材料采用 C30混凝土。上述 3种方案的桥型布置见图1。

图1 3种桥式方案立面布置(单位:cm)

2 动力计算模型

桥跨的空间动力计算模型采用大型通用有限元分析软件 ANSYS进行建立。选用考虑剪切变形影响的三维渐变不对称 Timoshenko梁单元(BEAM188)模拟主梁、桥墩及桩基础,对于桥面二期恒载以及邻跨简支梁质量的影响将其等效为相应主梁节点上的质量单元(MASS21)模拟。由于承台为高桩承台且桩基较长,桩端处进行固结,对桩土相互作用采用线性弹簧单元(COMBIN14)模拟,弹簧刚度按 m法确定。模型中主梁与墩身的连接采用主从约束的方式实现,承台与桩基的连接通过定义刚域的方式实现。针对上述 3种设计方案,分别建立了对应的计算模型。连续梁和连续刚构墩的计算模型如图2所示。

3 自振特性对比

图2 桥墩空间有限元计算模型

本文分别对 3种桥型方案进行了自振特性分析,针对每种方案又考虑了桩土作用与不考虑桩土作用两种情况。对于不考虑桩土作用的情况是在桩基的局部冲刷线处将桩底固结处理。考虑桩土作用与否的 3种桥式方案前 10阶自振周期及其振型特征描述见表1和表2。图3给出考虑桩土作用时 3种桥式方案典型振型的示意图。

表1 不同墩梁连接方式3种方案的模态分析结果(考虑桩土作用)

表2 不同墩梁连接方式3种方案的模态分析结果(不考虑桩土作用)

由自振特性分析结果可以看出:(1)对于 3种桥式方案,考虑桩土作用的各阶自振周期均比不考虑桩土作用时相应值有所增加,可见桩土相互作用使得桥跨结构变柔,自振周期增大;(2)在考虑桩土作用时,3种方案的基本周期值分别为 2.579、3.177、3.207 s,可见连续梁方案的基本周期相对较短,而连续刚构和连续-刚构组合方案的基本周期值基本相当;(3)3种模型的第一阶振型均为主梁第 4跨侧弯,可见由于 8号和 9号墩底桩基础位于较厚的细砂层,致使该部位的横向刚度较弱;(4)分别对比 3种桥型考虑桩土作用与不考虑桩土作用的振型结果,刚构模型的前 5阶、刚构-连续组合模型的前 6阶振型都是一致的,但对于连续梁方案第 2阶振型即出现了差异;(5)考虑桩土效应时,3种桥型非固结墩的纵向弯曲振型均提前出现。

图3 考虑桩土作用时3种桥式方案典型振型示意

4 反应谱分析结果对比

桥址区的工程地质勘探资料表明,该桥桥址场地土的平均剪切波速在 157～304m/s,属于Ⅱ类场地土,根据中国地震动参数区划图知地震动峰值加速度为0.10g,地震动反应谱特征周期为 0.4s。根据《铁路工程抗震设计规范》[2],其反应谱输入的动力放大系数 β=2.25×0.4/T,长周期部分稳定在 0.45 s,反应谱曲线如图4所示。

图4 输入反应谱曲线

本文分别对 3种桥型方案进行纵向、横向及竖向地震反应谱输入,其中竖向反应谱值取水平向的 1/2。分析对比了各输入工况下 3种桥型关键截面的内力及位移情况。各墩底及墩顶内力对比情况见图5～图7;墩顶位移及主梁位移的结果对比情况见图8～图12。

图5 纵向地震反应各墩墩底面内弯矩比较

图6 纵向地震反应各墩墩顶面内弯矩比较

图7 横向地震反应各墩墩底面外弯矩比较

图8 纵向地震反应墩顶位移比较

图9 横向地震反应墩顶位移比较

图10 纵向地震反应主梁纵向位移比较

图11 纵向地震反应主梁竖向位移比较

图12 横向地震反应主梁横向位移比较

通过对 3种桥型内力及位移反应值的综合对比分析,得出以下结论。

(1)纵向地震作用下,3种桥型均在 7号墩底或墩顶产生最大的面内弯矩和剪力,故 7号墩将成为全桥受力最不利的部位。分析其原因,7号墩桩基为全桥所有桥墩中最短者,即该处岩层最浅,桩底固结,无桩土作用的考虑。从横向地震作用内力反应值的对比结果看,3种桥型并无明显差异。

(2)从位移反应值的对比情况来看,3种桥型均在8号或 9号墩顶发生了较大的墩顶位移,同时 3种桥型在横向地震作用下其第 4跨跨中位置处均发生全桥最大的横向位移值。可见,在地震作用下 8号和 9号桥墩基础及第 4跨主梁刚度不足,将成为全桥的薄弱部位。分析其原因,在于 8号和 9号墩墩底的桩基础位于较厚的细砂层,桩长较长,致使该部位桩基础刚度较弱。这和模态分析结果中 3种模型的第 1阶振型均为主梁第四跨侧弯的结论是一致的。

(3)从纵向或横向反应谱输入情况下 3种桥型墩顶及主梁发生的最大位移值来看,桥型一的位移值较小,整体刚度较大,其地震反应性能优越于其他两种桥型;而桥型二和桥型三的相应位移值差别不大。

(4)从竖向地震反应对 3种桥型的影响来看,对于桥型一和桥型三,竖向地震反应在 7号固定墩(桥型一)及 7号和 8号墩梁固结桥墩(桥型三)中产生面内弯矩和剪力;对于桥型二,竖向地震反应在其 6号 ～9号桥墩及主梁截面将同时产生面内和面外的弯矩和剪力。总体看来,竖向地震反应对桥型二的影响最大,桥型三次之,对桥型一的影响很小。

5 结语

对不同墩梁连接方式下的 3种桥式方案进行了自振特性分析和反应谱分析,对结构关键部位的地震内力和位移进行了对比分析,结果表明,本桥最终选用的设计方案桥型一(连续梁方案)是可行合理的,但因固定墩受力较为不利,须保证其具有足够的纵横向刚度及强度,同时须选用利于抗震的墩顶固定支座。

[1] 铁道部工程设计鉴定中心,铁道第三勘察设计院集团有限公司.中国高速铁路桥梁技术国际交流会论文集[C].北京:中国铁道出版社,2008.

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