连续梁-多框架墩体系地震反应分析

谭 良

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处,天津 300142)

连续梁-多框架墩体系地震反应分析

谭 良

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处,天津 300142)

连续梁-多框架墩结构体系为客运专线上为实现小角度立交跨越的新型结构形式,通过进行时程分析和反应谱分析,确定结构体系墩梁连接的合理形式,验证出结构体系在高烈度震区多遇地震和罕遇地震作用下,拥有可靠的抗震性能。

连续梁;框架墩;反应谱;时程分析

1 概况

某客运专线上跨既有双线铁路,交叉角度仅有13.33°,净空受限,采用7 -16m连续梁-多框架墩结构跨越,主桥共采用5个框架墩,框架墩横梁与线路方向成12°～15°法向角,横梁高加墩柱高为14.3～15m。主桥平面布置见图1。

图1 主桥平面布置

上部梁跨采用预应力混凝土连续梁结构,基础采用钻孔桩基础。框架墩横梁采用预应力混凝土结构,墩柱采用钢筋混凝土结构,立面布置见图2。

横梁除与立柱交接处及支承点处采用实体截面外,均采用箱形截面;墩柱采用矩形截面,向外一侧纵向加弧,墩高方向呈上、下大,中间小的曲线线形,连续梁的其他次边墩和联间墩采用流线形圆端实体墩。

图2 框架墩立面布置

连续梁 多框架墩体系属于B类桥梁结构,重要性系数多遇地震作用下取1.5,罕遇地震作用下取1.0。桥梁所处地区地震设防烈度为8度,场地类别划分为Ⅲ类,地震动反应谱特征周期为0.45s。

连续梁-多框架墩结构体系是一个空间受力结构,采用MIDASCivil有限元程序进行全桥抗震分析,梁部用板单元、桥墩及承台采用梁单元模拟,承台底部按桩基础计算刚度输入,如图3所示。

图3 连续梁-多框架墩体系计算模型

2 墩梁连接形式分析

在此以前的框架墩设计中,上部结构以简支梁结构居多,连续梁与框架墩采用何种连接方式能更好地参与受力、获得更好的抗震性能是结构分析的重点。框架墩与上部连续梁的连接可分为3种方式:

(1)连续梁通过一个固定支座与下部桥墩相连,简称单固定墩结构体系;

(2)连续梁通过多个固定支座与下部桥墩相连,简称多固定墩结构体系;

(3)墩梁固结,即框架墩的横梁作为连续梁底板的一部分成为十字梁结构体系。

按多遇地震考虑,采用时程分析方法对3种体系进行比较,地震波时程分析数据如图4所示。

图4 地震波时程分析数据

时程分析各框架墩在各种体系中的最大反应结果列于表1。

表1 3种体系时程分析结果比较____________

通过上述结果进行分析,3种体系的横向地震力作用下受力差别不大,但单固定墩体系在纵向地震力下的受力和位移比其他2种体系大很多,若采用单固定墩体系,需大大加强固定墩的纵向刚度,而刚度加大一般情况下又加大了地震响应,因此采用单固定墩体系是不合理的;多固定墩体系和十字梁体系受力比较接近,采用十字梁体系结构抗震、抗扭性较好,整体刚度大,能有效地降低结构高度,但是受力计算较复杂,施工必须用支架现浇的方法,墩梁一次施工时间长,对既有线影响较大,相比较而言,多固定墩体系受力明确,墩、梁可分次施工,施工安全风险小。

框架墩为框架结构,加上受空间的限制和美观协调性等方面的影响,单个墩柱往往不会具有特别大的刚度,采用多固定墩体系将纵向力作用分配在多个框架墩上,避免受力集中,减小桥墩纵向位移,是一种合理的结构形式,而且各墩结构尺寸基本一致,刚度和质量分布匀称,提高了全桥的抗震性能。需要注意的是,在墩高较小或墩柱纵向刚度特别大的时候,多固定墩之间上部结构在温度力作用下的变形是否能得到释放,若不能满足,则需要进行梁部温度跨度和墩柱刚度之间关系的研究分析,由于工点处为跨越既有线,墩柱较高,不受此条件限制。

因此,对于多孔的连续梁-多框架墩体系在墩柱刚度能满足梁部温度变形的前提下,应尽量采用多个框架墩作为固定墩,按刚度分配纵向力作用,避免纵向地震作用力集中,可有效加强结构体系的整体抗震性能。结合工点处的具体施工条件、地震烈度等地质条件,采用常规墩梁支座连接的形式,取最中间的3个框架墩作为固定墩进行抗震分析。

3 多遇地震作用下的地震反应分析

采用多固定墩体系进行分析比较,反应谱分析下的地震反应较时程分析的更大一些。框架墩横梁为预应力结构,地震反应并不明显,在结构体系中地震反应最大的还是墩柱部分,反应谱分析下的墩柱地震力作用如图5～图8所示。

图5 纵向地震力作用下的剪力内力图(纵向)(单位:kN)

图6 纵向地震力作用下的弯矩内力图(纵向)(单位:kN·m)

反应谱分析下的最大地震反应列于表2。

图7 横向地震力作用下的剪力内力图(横向)(单位:kN)

图8 横向地震力作用下的弯矩内力图(横向)(单位:kN·m)

表2 _反应谱分析计算结果

综合2种计算方法的分析结果可以得出,框架墩纵向地震力作用下受力和位移均比横向地震力作用下不利;纵向地震力作用下最不利位置在3个固定墩前后2个墩的近线路端墩柱底部;横向作用最不利位置为3个固定墩靠小里程框架墩的远线路端墩柱底部。由此可见,框架墩的平面布置对其抗震性能有很大影响,内力图中3个固定墩的中间墩2个墩柱基本对称线路布置,其所受作用比较均匀,相比前后2个固定墩,其内力值反而小;前后2个固定墩因质量在2个墩柱上的不均匀分配引起2个墩柱地震响应的非对称分布,因此,在框架墩横梁跨度较大时,应控制框架墩在线路中心两侧的横梁跨度比,避免地震响应过于集中在一侧墩柱。另外,框架墩墩柱地震力作用下的纵向弯矩为从上到下线形加大,而横向弯矩成上下大、中间小的哑铃形状,墩中局部区域受地震力作用较小,墩柱结构尺寸可根据其受力特点进行设计。

从计算结果比较来看,结构体系在反应谱分析下较时程分析计算结果受力更大,地震响应更为明显,可见进行连续梁-框架墩设计时采用反应谱方法进行抗震分析,能保证结构的安全性。

将反应谱分析下的纵、横向地震力与恒载、活载组合,分别按有车、无车进行框架墩的结构验算。桥上有车时,顺桥向检算不计算活载引起的地震力,横桥向检算计入50%的活载引起的地震力。计算得出墩柱配筋率在1.36% ～2.08%,墩柱最大拉应力为243.4 MPa。横梁在地震力组合作用下,截面均为压应力,应力值在1.28～7.54MPa。

4 延性设计

按照铁路抗震规范中关于延性设计的要求,框架墩墩柱全截面最小配筋率为1.36%,最大配筋率为2.08%,均介于0.5%～4%;框架墩底部箍筋加强,按10cm间距布置,其余部位间距15cm,箍筋直径16 mm。根据配筋设置进行延性计算,来验证结构体系在罕遇地震作用下的性能。

由于罕遇地震作用下,结构体系不能再维持弹性的工作状态,而进入弹塑性工作状态的只能是框架墩本身。根据铁路抗震规范中“表5.2-1铁路桥梁设防目标及分析方法”的规定,按照非线性时程反应分析法进行框架墩的延性验算和最大位移分析。对框架墩进行罕遇地震作用下的动力弹塑性分析,延性验算应满足下列要求

式中 μu——非线性位移延性比;

[μu]——允许位移延性比,取值为4.8;

Δmax——桥墩的非线性响应最大位移;

Δy——桥墩的屈服位移。

非线性时程分析仍采用MIDAS进行建模计算,经过上述计算分析,可以判断,框架墩顶、底位置为可能出现塑性铰位置,对墩顶、底可能屈服区域的截面分别进行非弹性铰的模拟,混凝土和钢筋材料分别根据合理的滞后模型定义,并完全按照施工图框架墩墩柱配筋图对截面进行线性分割。因纵向地震作用结构体系地震反应比较明显,故只对墩柱进行纵向地震反应分析。

罕遇地震纵向力作用下,墩底为发生塑性铰区域,最不利截面弯矩-转角曲线如图9所示。

图9 弯矩-转角曲线

纵向地震力作用下受压端均处于弹性工作范围内,受拉端截面保护层混凝土将退出工作,但并未显示破碎。受拉侧主筋在不同的时程点均有可能屈服,最先屈服的为截面角点处钢筋,钢筋应力应变曲线如图10所示。

钢筋达到屈服强度后,应力、应变增加量均很小,可认为钢筋应力未超出屈服阶段,且钢筋在卸载后基本上维持线弹性工作,截面仍然有一定刚度可继续发挥作用。

图10 屈服钢筋应力-应变曲线

根据计算桥墩的屈服位移为0.0448m,罕遇地震纵向力作用下框架墩最大纵向位移为0.052m,计算得出延性比1.16,可得纵向地震力作用下,延性验算满足要求。

综上所述,连续梁-多框架墩体系具有达到罕遇地震要求的抗震性能。

5 结语

(1)根据对框架墩地震受力分析,得出连续梁-多框架墩体系采用多个框架墩作为固定墩是一种合理的结构形式,可有效加强结构体系的整体抗震性能。

(2)从反应谱分析和时程反应分析的结果得出,多遇地震作用下,连续梁-多框架墩体系具有较好的抗震性能;框架墩在平面上的不对称性,使得框架墩在地震力作用下的地震反应不对称,故在进行桥墩设计时应尽量控制横梁跨度和框架墩在上部结构支撑中心两侧的横梁跨度比,避免地震作用过于集中。

(3)通过非线性时程分析,连续梁-多框架墩体系能达到罕遇地震作用下的抗震要求。

(4)根据规范要求应按设计地震考虑对连接构造进行强度验算,应结合支座设计进行相应分析检算。

(5)现在,抗震计算以外,抗震概念设计和抗震构造设计摆在了更重要的位置。以往的铁路桥梁抗震设计除了结构本身的安全分析,对于抗震措施的设置考虑较少,处于高烈度震区的连续梁-多框架墩体系在防落梁装置、基础设计及各部连接构造等方面应注意加强。

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Seismic Response Analysis of Continuous Beam with Multiple Framed Piers System

TAN Liang
(Bridge Design Department of the Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation, TianJin 300142, China)

The structure system of continuous beam with multiple framed piers is a new structure form in railway passenger-dedicated line,which is suitable for the spanning of grade separation with a small angle.By means of response spectrum analysis and time history analysis,this paper confirms the reasonable connection form between the beam and the pier of the composite structure,and verifies that the structure can has reliable seismic performances under the actions of frequent earthquakes and strong earthquakes respectively in high seismic intensity regions.

continuous beam;framed pier;response spectrum;time history analysis

U238;U442.5+5

A

1004 -2954(2012)11 -0042 -03

2012-06-13

谭 良(1980—),男,工程师,2003年毕业于西南交通大学土木工程专业,工学学士,E-mail:tanl_0@163.com。