高烈度震区中低速磁浮交通T形刚构桥设计

2016-12-30蒋霏

铁道勘察 2016年6期

关键词：烈度延性抗震

蒋霏

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

高烈度震区中低速磁浮交通T形刚构桥设计

蒋霏

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

中低速磁悬浮交通具有环保、安全性高、转弯半径小、爬坡能力强、建设成本低等优点，在城市轨道交通发展建设中前景广阔。T形刚构是目前我国最常用的大跨径桥形之一，能够适应特殊的地形情况或市政规划要求。以北京中低速磁悬浮交通线路S1线工程设计为例，对位于高烈度震区的(54+54)m的预应力混凝土T形刚构桥开展结构设计研究，并进行刚壁墩在罕遇地震下的延性抗震验算。

中低速磁浮交通T形刚构结构设计延性设计弹塑性分析

中低速磁悬浮交通具有环保、安全性高、爬坡能力强、转弯半径小、建设成本低等优点，而桥梁结构以工后沉降变形小、结构耐久性好、适应性强、整体性好等特点在我国的工程交通项目中占据着越来越重要的位置。T形刚构(以下简称T构)是目前我国最常用的几种大跨径桥形之一，具有强度、刚度可靠，同时养护工作量小、设计及施工经验成熟的特点，能够适应特殊的地形情况或市政规划要求。在中低速磁悬浮交通工程中，由于列车的活载类型和动力形式与传统轨道交通项目不相同，常常会采用T形刚构桥形式。对于高烈度震区的桥梁，需保证其抗震作用下的安全性。

因此，对高烈度震区中低速磁浮交通工程T形刚构桥结构设计进行研究，对保证T构的经济性和安全性有重要的意义。

以北京中低速磁浮交通S1线工程(54+54) m预应力混凝土T构桥为研究对象，研究高烈度震区T构桥在磁浮交通项目中合理的结构尺寸，并进行刚壁墩在罕遇地震下弹塑性时程响应分析和延性抗震验算。

1 工程概述

北京中低速磁悬浮交通线路S1线为北京市首例中低速磁悬浮项目。结合规划要求，采用2联跨度为(54+54) m的T构桥跨越三石路南延及规划一路，两联T构共用的联间墩设置在规划三石路南延的中央分隔带。

2 主要技术标准

(1)设计速度：70 km/h。

(2)线路情况：双线线间距范围4.71～6.39 m。，线路纵断面位于53‰的纵坡及平坡上，线路平面位于半径R300 m的圆曲线及缓和曲线上。

(3)轨道类型：中低速F轨，轨顶至梁顶距离为1.4 m。

(4)设计活载：磁浮列车活载。

(5)二期恒载：采用104 kN/m。

(6)地震：地震基本烈度为Ⅷ度，动峰值加速度为0.2 g。

(7)设计使用年限：正常使用条件下结构设计使用寿命为100年[1]。

3 结构设计分析

3.1 梁部结构构造

梁部直接承受荷载，为结构提供竖向刚度，因此梁部的主要参数是两端部和根部的梁高。根据T构桥的受力体系，主梁根部位置会有较大的负弯矩，一般情况下，均需要适当加大梁高。根据《预应力混凝土连续梁桥设计》[7]，预应力混凝土连续梁结构的跨中部位截面高度一般为跨度的1/30～1/50，支点部位截面高度可选用1/15～1/20。对比分析三跨常规连续刚构和两跨T构(刚构中跨跨径与T构跨径相同)，T构刚壁墩截面处负弯矩约为刚构的1.95倍。因此，两跨T构的梁高应比同等跨径的三跨连续刚构桥更大。

经比选后确定的梁部结构尺寸如图1～图2所示。梁部为变截面预应力混凝土箱梁，采用单箱单室斜腹板截面，腹板斜率为3.5∶1，刚壁墩处梁高为480 cm，边支点处梁高为250 cm；梁高按二次抛物线变化。桥面宽12.4 m；顶板厚度在梁端和刚壁墩顶局部加厚，其余均为35 cm；底板厚度35～90 cm，按抛物线变化；腹板厚度50～65～80 cm，按折线变化，端支点处腹板局部加厚到120 cm；全联在边支座和刚壁墩墩顶处共设3道横隔板，横隔板设过人孔。边支座处隔板厚度1.5 m，刚壁墩处隔板厚度3.2 m。

图1 T构桥立面(单位：cm)

图2 梁部横截面(单位：cm)

3.2 墩梁固结区构造

墩梁固结区域是T构的主要受力区域，是T构桥扩散应力、传递荷载的重要部位。通过有限元局部应力分析，在局部构造设计中增加了横隔板的横向预应力，并加强了钢筋配置。

3.3 墩身结构构造

本T构的刚壁墩墩高10 m，结合项目整体特点，刚壁墩采用圆端形实体墩，纵向宽3.2 m，横向宽5.37 m，采用方案如图3所示。

图3 刚壁墩横截面(单位：cm)

3.4 梁部结构计算

利用Midas/Civil程序，采用三维弹性空间梁单元进行有限元模拟计算分析。

由于磁浮列车较强的转弯和爬坡能力，本T构桥位于R=300 m的曲线和坡度为53‰的斜坡上，参考《铁路小半径曲线梁桥设计研究》[10]，考虑曲线梁桥的弯扭耦合效应和大纵坡对刚壁墩结构受力的影响，T构模型按照实际曲线半径和桥面斜率进行模拟。桥梁支座的约束方向与曲线的径向和法向保持一致。

计算模型如图4所示。

图4 全桥有限元模型

(1)梁部刚度

梁部刚度检算结果如表1、表2所示。

表1 梁部竖向挠度检算结果

表2 梁端转角检算结果

由表1～表2可知：梁部检算的最大挠跨比和最大梁端转角均满足规范限值要求。

(2)梁部应力指标及设计安全系数

梁部应力指标及设计安全系数如表3所示。

表3 应力指标及设计安全系数

由表3可知：梁部检算的应力指标及设计安全系数均满足规范限值要求。

4 高烈度区桥墩延性设计分析

T构桥的梁部结构质量大，桥梁结构在地震作用下的响应过程会产生较大的结构内力及变形，有必要对结构进行抗震设计和研究。根据《铁路工程抗震设计规范》[5]要求，本T构应采用弹塑性时程分析法进行罕遇地震作用下的抗震分析。从人工地震波拟合、自振特性分析及延性抗震验算三个方面对本桥进行深入分析，以保证T构的安全。

4.1 人工拟合规范反应谱地震时程

本项目抗震设计防烈度为Ⅷ度，场地土类别为II类，特征周期分区为一区，设计地震动峰值加速度值0.2g。本桥需进行弹塑性时程计算，以保证结构安全。

地震波采用人工拟合方法得到，以规范反应谱曲线为目标，采用傅里叶变化迭代法进行人工地震波合成。通过合成，得到的人工地震动拟合反应谱曲线如图5所示。

图5 人工地震波与规范反应谱对比曲线

《公路桥梁抗震设计细则》[4]中要求，抗震计算所采用地震波时程曲线应不少于三组，且相关系数小于0.1，通过计算，生成的三条地震动之间的相关系数：1与2为0.017，2与3为0.067，1与3为0.04，均满足规范要求。三条罕遇地震动时程曲线如图6～图8所示。

图6 地震动时程曲线1(持时100 s；时间间隔0.02 s)

图7 地震动时程曲线2(持时100 s；时间间隔0.02 s)

图8 地震动时程曲线3(持时100 s；时间间隔0.02 s)

4.2 自振特性分析

自振特性分析采用兰索斯法计算。T构部分模态的频率、周期和描述如表4所示，部分振形如图9所示。

表4 自振特性

图9 T构桥部分振形

计算结果表明：三条地震波作用下刚壁墩墩底引起的最大弯矩为105 500 kN·m，引起的最大剪力为19 130 kN，墩顶引起的最大纵向位移为3.38 cm，结果时程曲线如图10～图12所示。刚壁墩的墩底截面弯矩-曲率关系曲线如图13所示。分析表明：刚壁墩已进入到塑性状态，混凝土开裂，外侧纵筋屈服，应进一步进行延性比计算。

图10 刚壁墩位移时程曲线

图11 刚壁墩弯矩时程曲线

图12 刚壁墩剪力时程曲线

图13 刚壁墩墩底截面弯矩-曲率关系曲线

4.3 罕遇地震下桥墩延性抗震特性分析

上节计算结果表明：在罕遇地震下，T构刚壁墩墩身构件已经进入到屈服阶段。根据《铁路工程抗震设计规范》[5]，应再对刚壁墩进行延性抗震验算。

延性系数计算公式为

式中，μu表示非线性位移延性比；[μu]表示允许位移延性比，规范限值为4.8；Δmax表示桥墩的非线性响应最大位移；Δy表示桥墩的屈服位移。

三条罕遇地震波作用下刚壁墩的非线性位移延性比计算结果如表5所示。

表5 T构刚壁墩位移延性比计算结果

由表5可知，刚壁墩塑性位移延性比最大值为1.36，满足规范的延性比限值要求。

5 结束语

通过对北京中低速磁浮交通S1线(54+54) m预应力混凝土T构桥的设计，对磁浮交通中经常采用的T构桥的结构尺寸、模型建立方法、罕遇地震下桥梁弹塑性地震时程响应分析方法开展深入研究，验证了建模方法的有效性，保证了T构桥控制构件刚壁墩在罕遇地震下的结构和延性安全性。所提出的建模分析方法对同类工程的设计提供了有益的参考。

[1] 中华人民共和国铁道部.TB 10002.1—2005铁路桥涵设计基本规范[S].北京：中国铁道出版社，2005

[2] 中华人民共和国铁道部.TB 10002.3—2005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50157—2013地铁设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013

[4] 中华人民共和国交通运输部.JTG/T B02—01—2008公路桥梁抗震设计细则[S].北京：人民交通出版社，2008

[5] 中华人民共和国铁道部.GB 50111—2006铁路工程抗震设计规范[S].北京：中国计划出版社，

[6] 中华人民共和国交通部.JTGD62—2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004

[7] 徐岳，王亚君，万振江.预应力混凝土连续梁桥设计[M].北京:人民交通出版社，2000

[8] 禚一，王菲.罕遇地震下城际铁路连续梁桥延性抗震设计[J].铁道工程学报，2012(4):66-71

[9] 饶少臣.大跨高墩T构铁路桥设计研究[J].铁道标准设计，2005(11):52-56

[10]胡万华，陈思孝.铁路小半径曲线梁桥设计研究[J].高速铁路技术，2015(1):48-50

The Design of T Type Rigid FrameBridge Low and Medium Speed Urban Maglev in High Intensity Earthquake

JIANG Fei