弹性支承块式轨道桥梁地震响应设计

文 / 云南京建轨道交通投资建设有限公司 陈爵

本文从地震作用角度出发，选取弹性支承块式轨道桥梁作为案例，借助有限元软件Midas Civil，完成有限元模型分析，并结合典型地震波作用，分析案例地震响应情况。研究结果显示，以主梁结构作为研究重点，不考虑结构形式在设计方面具有更高的安全性。但是如果将结构形式考虑在内，桥墩顶位移更符合行业要求。因此，于抗震设计而言，可选择将结构形式考虑在内，确保设计安全性。

引言

目前，弹性支承块式轨道桥梁在行业中应用较为常见。该结构最早在瑞士得以应用，后被我国引进。它能够有效提升整体性能，特别是在抗震性能方面具有较为明显优势。具体而言，应用弹性支承块式轨道桥梁，不仅弹性良好，并且具备一定减振降噪功能。本文对该结构地震的响应及设计展开分析。

研究背景

近年来国内地震灾害频发，既往城市轨道交通桥梁在应用过程中受到强震影响，引发线路轨道几何不平顺情况，导致行车安全性下降。因此，以保障行车安全作为研究重点，应加强地震响应设计。选择弹性支承块式轨道桥梁，并通过合理选择结构模式，进一步提升桥梁抗震性设计。

案例分析

本文选取弹性支承块式轨道桥梁作为典型案例，展开研究，将其划分为考虑、不考虑结构形式两种，借助有限元软件Midas Civil，经抗震计算，建立模型。在这一过程中，不纳入车辆因素。针对考虑轨道结构形式，主要使用结构为弹性支承块式轨道结构，以动力学角度出发，形成仿真模型。仿真模型见图1。

图1 模型图

建立地震响应模型

在对模型进行初步设计后，2种模型均选择连续箱梁桥作为结构，可借助等截面形式，对箱梁进行处理，并以二次抛物线作为中墩、边墩的梁高，在各跨度中，分别设置横隔板。同时，对主梁截面参数进行控制，详见表1。

表1 主梁截面参数

为便于对后续桥梁抗震性能进行分析，建立有限元模型。其中，各跨度需要借助三维梁单元进行描述，并使用滞后系统，对支座进行模拟处理，以节点弹性作为支承，选择土弹簧形式，对桩土相互作用进行模拟。

针对不考虑结构形式，在模型构建完成后，模型中需要保持荷载与桥梁进行直接作用，并做好线荷载集度控制工作，该项指标保持在104.9kN/m。针对考虑结构形式，在模型构建过程中，可借助梁单元，模拟桥梁内部组成部分。在模型计算过程中，需要以上部结构作为依据，结合线荷载集度参数情况，确保计算准确性，建立完成有限元模型，为后续地震响应计算奠定基础。

地震响应计算

针对桥梁结构而言，自振频率、振型与动力性能密切相关，并且能够对其进行一定的反应。借助有限元软件Midas Civil，经多重Ritz向量法，对两种桥梁模型进行分析，可获取到特征值。在这一过程中，需要将不同模态考虑在内。基于不考虑结构形式，计算公式为，其中，Gt为支座顶面质量重心换算质点重力，Gsp为桥梁上部结构重力，Gp为墩身重力，Gcp为盖梁重力，为重力换算系数，顺桥向振型质量计算结果为99.77%，横桥向为99.68%，竖向为99.98%。而基于考虑结构形式，在模型中，三种振型质量参数分别为99.90%、99.68%、99.99%，符合桥梁抗震设计相关要求。

本文选取6阶自振周期进行动力学分析。基于不考虑结构，在第1阶，周期为0.561，振型为每增加竖向弯曲，两联主梁均处于竖弯状态，经顺桥向，主梁可保持同向振动，在桥墩中，针对顺桥向，主要呈现同向弯曲振动。在第2阶，周期为0.530，振型为每增加竖向弯曲，两联主梁均处于同向竖弯状态，经顺桥向，主梁将保持反向振动状态，在顺桥向，桥墩振动形式为同向弯曲。在第3阶，周期为0.520，振型为每增加竖向弯曲，两联主梁均处于同向竖弯状态，在顺桥向，主梁主要振动为同向，经顺桥向，桥墩振动需要保持同向弯曲。在第4阶，周期为0.486，每增加竖向弯曲，两联主梁将会出现反向竖弯，并且在顺桥向，该主梁振动呈现反向，并且在桥墩中，主要呈现反向弯曲振动。在第5阶，周期为0.482，每次弯曲时，主梁均呈现同向平弯状态，并且在横桥向，桥墩振动将会呈现同向弯曲。在第6阶，周期为0.474，在每次出现弯曲后，主梁将会出现反向平弯状态，在横桥向，桥墩将会呈现反向弯曲振动。

基于考虑结构，在第1阶，周期为0.547，振型为每增加竖向弯曲，主梁将会出现同向竖弯情况，在顺桥向，桥墩处于同向弯曲。在第2阶，周期为0.465，振型为每增加竖向弯曲，主梁将会保持同向平弯，在横桥向，桥墩将会处于弯曲振动状态。在第3阶，周期为0.446，振型为每增加竖向弯曲，主梁将会呈现同向平弯状态，在横桥向，需要保持主梁呈现同向弯曲振动情况。在第4阶，周期为0.390，在增加竖向弯曲后，主梁主要呈现反向平弯状态，当处于横桥向时，桥墩的振动状态将会呈现反向弯曲。在第5阶，周期为0.384，振型为针对一联主梁，在竖向弯曲的情况下，另外的主梁不会发生振动情况，经顺桥向，桥墩主要呈现反向弯曲振动。在第6阶，周期为0.310，振型为针对两联主梁，弯曲主要呈现对称水平方向，在横桥向，桥墩的振动主要呈现反向弯曲。

结合上述数据可知，对比不考虑结构形式，考虑结构形式自振周期更小，这主要与模型在构建过程中将轨道质量、刚度考虑在内有关。而在不考虑结构形式中，模型构建主要以轨道质量作为依据，未对轨道刚度等因素进行考虑。因此，考虑结构形式的模型在自振周期方面具有更小的自振周期。在6阶模态中，对两种模型的模态进行观察。两者在第1阶中的模态基本处于一致状态，同时，考虑结构形式模型中的第2阶与不考虑模型中的第5阶基本相同，前者第3阶与第6阶基本相同。这说明，以弹性支承块式轨道桥梁作为研究重点，受到结构形式不同影响，将会导致动力响应出现一定改变，但整体影响幅度相对较低。

在进行地震荷载增加前，以整体结构着手，将荷载采取动力的方式进行添加，借助有限元模型Midas Civil，获取最终效应，对结构地震响应进行分析。针对地震动峰值，如果加速度处于0.2g，基于横桥向、顺桥向，两种结构形式模型在位移值方面并不相同，但是变化规律处于一致状态。在地震动作用强度不同的情况下，与考虑结构形式相比较，不考虑结构形式主梁位移值更高，但是该模型在桥墩顶位移方面存在过小的问题。调整地震动峰值，如果加速度为0.1g，针对不考虑结构形式，墩顶位移为47.2mm，考虑结构形式为51.0mm，存在一定的误差。相关研究表明，在桥墩顶位移过大的情况下，将会增加桥梁倒塌风险。因此，可选择考虑结构形式，完成抗震设计，能够确保桥墩顶位移值符合实际地震响应需求。

对于主梁结构而言，对比考虑结构形式，在支点负弯矩、跨中正弯矩、支点剪力方面，不考虑结构形式相对更高，具有更高的安全性。结合地震动强度增加，观察主梁内力值，同样也会呈现增长趋势。究其原因，轨道、主梁结构均能够在一定程度上对地震荷载进行承担，但是在不考虑结构形式的情况下，轨道承载作用往往会直接被忽视，在模型中，主要由主梁单方面完全承担地震荷载作用。因此，以主梁结构展开研究，不考虑结构形式虽然能够确保设计安全性，但针对实际设计工作，可选择考虑结构形式作为设计方法，确保主梁结构强度得到最大化发挥。

结语

综上所述，针对有限元模型分析显示，不考虑结构形式主梁位移值更高，进而造成桥墩顶位移过小，因此，以提高抗震设计作为重点，应选择考虑结构形式模型。同时，对比支点负弯矩、跨中正弯矩、支点剪力，不考虑结构形式相对更高。基于地震动强度提升，两种模型内力值将会随之提升。说明针对主梁结构，不考虑结构形式的设计思路相对保守，实际设计中可选择考虑结构形式完成抗震设计，提高设计安全性。