上海市軌道交通碩構(gòu)-獨柱墩高架橋地震響應(yīng)分析

上海市軌道交通碩構(gòu)-獨柱墩高架橋地震響應(yīng)分析

1軌道交通高架與橋梁結(jié)構(gòu)的強度設(shè)計方法新疆-盛閔鐵路是中國第一座大型輕架交通線路。從地鐵1號線南端出發(fā)，距離東川路和火車北站8公里。全長17.28公里，高架線全長16.78公里。高架區(qū)間標準段上部結(jié)構(gòu)采用單室單箱簡支預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁結(jié)構(gòu),基本跨徑為30m,下部橋墩為流線型獨柱墩,墩身縱向尺寸1.7m,橫向尺寸2.5m,基礎(chǔ)為PHC管樁或樁孔樁,支座采用組合式板式橡膠支座。結(jié)構(gòu)斷面見圖1。高架橋上鋪設(shè)支承塊式承軌臺無碴無縫軌道結(jié)構(gòu),扣件采用WJ-2型小阻力彈性扣件。目前,我國的軌道交通高架橋還未有現(xiàn)成的抗震設(shè)計規(guī)范,只能借助于《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》和《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》。上述規(guī)范采用以強度為基礎(chǔ)的彈性抗震設(shè)計方法,該方法概念明確,簡單易行,廣泛為工程界所采用。但在抗震設(shè)計計算中強度設(shè)計方法是建立在簡單的物理模型、工程實際及很多經(jīng)驗系數(shù)之上,設(shè)計過程模糊,設(shè)計的能力及地震作用對結(jié)構(gòu)的要求在設(shè)計中考慮不明確,在地震作用下,結(jié)構(gòu)的性能無法全部體現(xiàn)出來。此外,強度設(shè)計方法還無法考慮長大跨度橋的相位差效應(yīng),土——樁——結(jié)構(gòu)動力相互作用、橋梁橡膠支座的非線性、長鋼軌聯(lián)結(jié)的整體耦合性等問題。當前,歐洲、美國等國的抗震設(shè)計規(guī)范中均明確采用或體現(xiàn)能力設(shè)計方法,克服了強度設(shè)計方法的兩個缺陷即體系中不同構(gòu)件強度之間沒有層次,無法準確確定地震時塑性鉸以及延性能力差、屈服后強度下降快等特性。它能滿足和實現(xiàn)“小震不壞,中震可修,大震不倒”的分級設(shè)防標準,達到不同烈度和地震作用下結(jié)構(gòu)的強度和變形要求。另外,1995年日本阪神地震更重現(xiàn)了獨柱墩橋梁的嚴重危害,莘閔線全線獨柱高架橋抗震性能如何是必須加以研究的重要課題。為此,對莘閔線工程合理抗震設(shè)計參數(shù)及采用合理的抗震措施進行了重點研究。建立了高架橋梁結(jié)構(gòu)(包括橋上長鋼軌結(jié)構(gòu))——樁基——土動力相互作用力學(xué)模型,計算分析了軌道交通高架橋的非線性地震響應(yīng),并對其進行抗震延性分析;重點探討了高架橋上長鋼軌對橋梁的縱向約束作用及后繼結(jié)構(gòu)對橋梁抗震性能的影響,分析了橡膠支座對高架橋的減、隔震作用;并提出了軌道交通高架橋合理抗震設(shè)計參數(shù)及抗震措施。2高橋反應(yīng)譜分析2.1考慮多種因素下樁—動力計算模型針對軌道交通高架橋結(jié)構(gòu)的特點,建立了考慮長鋼軌結(jié)構(gòu)、后繼結(jié)構(gòu)、樁土相互作用及支座等影響的土——樁——結(jié)構(gòu)動力相互作用計算模型(見圖2)。2.1.1扣件阻力與鋼管縱向位移的關(guān)系在縱向地震作用下,橋上長鋼軌結(jié)構(gòu)將對橋梁的縱向位移形成一定的約束作用,在梁軌之間形成相互作用力。對于無碴軌道,橋上長鋼軌對橋梁縱向變形的約束作用主要來自扣件的縱向阻力。由于高架橋無碴軌道鋪設(shè)無縫線路,為減少鋼軌與橋梁的相互作用力,要求扣件阻力較小。為此,本工程高架橋上采用了WJ-2型小阻力彈性扣件?？奂枇εc鋼軌縱向位移關(guān)系的試驗曲線表明:在鋼軌縱向滑動前,扣件阻力隨鋼軌縱向位移的增加而增大,但當梁軌相對位移超過扣件總的彈性變形(稱為臨界滑動位移)后,梁軌之間就呈滑動狀態(tài),扣件阻力趨于常值。因此,扣件縱向動力滯回曲線可簡化成理想彈塑性材料的本構(gòu)關(guān)系。2.1.2彈簧剛度的影響考慮到普通多跨高架橋的縱向地震反應(yīng)主要由基頻(對應(yīng)振型為縱向一致振動)控制,因此可采用簡單的彈簧——質(zhì)量系統(tǒng)來模擬后繼結(jié)構(gòu)的影響,彈簧剛度即為后繼結(jié)構(gòu)的靜力等效抗推剛度、質(zhì)量為后繼結(jié)構(gòu)的等效質(zhì)量,阻尼比與原結(jié)構(gòu)相同。對后續(xù)結(jié)構(gòu)的考慮采取了最不利工況,即所取的計算結(jié)構(gòu)一端安裝有鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器,僅在另一端考慮后繼結(jié)構(gòu)的影響,裝有鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器一端鋼軌斷開,不與后繼結(jié)構(gòu)相連。2.1.3樁土剛架模式本工程的下部結(jié)構(gòu)墩柱支承在承臺上,承臺下采用樁基礎(chǔ)。樁土相互作用采用樁土的空間剛架模式,即樁間的土按等剛度原則模擬為二力桿,而樁基外圍的土按照等剛度原則簡化為抗壓彈簧,彈簧的一端固定,另一端與樁相連,二力桿及等代土彈簧的剛度由土介質(zhì)地基系數(shù)的比例系數(shù)計算。2.1.4板式橡膠合成的恢復(fù)力模型區(qū)間多跨簡支梁橋采用組合式板式橡膠支座,支座靜、動力試驗結(jié)果表明,板式橡膠支座的滯回曲線是狹長形的,所以當頻率和剪切變形一定時,支座的力和位移的關(guān)系近似成線彈性,其恢復(fù)力模型可簡化成直線型。2.2工程場區(qū)地震影響分析表1為按《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》、《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》及工程場地100年63%超越概率水平反應(yīng)譜分析地震影響系數(shù)計算出的橋梁墩底縱向彎矩值(設(shè)防烈度為7度)。表1可知,按《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》計算所得橋梁內(nèi)力值是《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》值的2.3~2.67倍,這主要是由于兩種規(guī)范綜合影響系數(shù)取值不同,尤其是《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》不考慮重要性修正系數(shù),而《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》則要求抗震重點工程重要性修正系數(shù)取為1.7。從工程場區(qū)反應(yīng)譜分析結(jié)果看,橋梁在多遇地震作用下縱向彎矩值與《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》所算值較接近。從而表明,在目前還未有城市軌道交通高架橋抗震設(shè)計規(guī)范的情況下,采用工程場區(qū)地震影響系數(shù),按反應(yīng)譜理論計算,其內(nèi)力是比較可行的。同時,考慮橋上軌道結(jié)構(gòu)對橋梁的縱向約束作用,橋梁的縱向內(nèi)力值減少13%~35%。這表明橋上軌道結(jié)構(gòu)對橋梁的縱向約束明顯改善了橋梁的縱向抗震性能。此外,橡膠支座橋梁縱向地震反應(yīng)較鋼支座橋梁降低50%左右。3橋梁地震響應(yīng)分析按墩柱縱向配筋80?25(縱筋配筋率ρ1=0.924%),采用場地地震波對軌道交通高架橋進行動態(tài)時程地震反應(yīng)分析,縱向分別考慮有無軌道約束及鋼支座與板式橡膠支座四種工況,橫向分別考慮有無車及鋼支座與板式橡膠支座四種工況。隨機選取3組100年超越概率10%、2%的場地地震波對結(jié)構(gòu)進行動態(tài)時程計算,并對其進行抗震延性分析。表2列舉了其中1組地震波作用下橋梁縱、橫向非線性地震響應(yīng)及延性特征。表3表示單根鋼軌在地震作用下產(chǎn)生的內(nèi)力。表中Qpmax表示墩柱最大塑性轉(zhuǎn)角(發(fā)生在墩底)。由表2分析可知,無論是鋼支座橋梁還是橡膠支座橋梁,考慮高架橋上軌道結(jié)構(gòu)對橋梁的縱向約束作用顯著減少了橋梁的縱向地震響應(yīng),從而亦降低了對橋梁的抗震延性要求,即在同水平地震作用下,所要求的橋梁延性系數(shù)明顯減小。此外,板式橡膠支座的應(yīng)用雖使主梁位移有所提高,但明顯降低了墩柱位移,改善了橋墩的抗震延性性能。同樣,板式橡膠支座橋梁在地震作用下的主梁位移較鋼支座橋梁有所提高,但墩柱的橫向非線性地震響應(yīng)則得以降低。另外,無論是鋼支座還是橡膠支座橋梁,不考慮列車活載(即橫向無車)時橋梁橫向地震響應(yīng)不一定比考慮50%列車活載(即橫向有車)時橋梁橫向地震響應(yīng)小,兩者的大小關(guān)系取決于橋梁自振特性(有車與無車工況)與輸入地震波的主頻之間的關(guān)系。由表3可見橡膠支座橋梁在地震作用下,鋼軌縱向力高于鋼支座情況,罕遇地震作用下,由于大多數(shù)扣件已經(jīng)滑移,因而其鋼軌軸力略高于設(shè)防烈度地震作用,但無論是設(shè)防烈度還是罕遇地震作用,鋼軌均滿足強度要求。4應(yīng)變曲線分析為了提高墩柱塑性鉸區(qū)域的抗震延性能力,在潛在的塑性鉸區(qū)域通常布置足夠的橫向約束箍筋。通過橫向鋼筋的約束作用顯著地改善混凝土在大應(yīng)變時的應(yīng)力——應(yīng)變關(guān)系,從而大大提高墩柱截面的延性,同時強度也有所提高。研究中采用Mander等學(xué)者提出的約束混凝土的應(yīng)力——應(yīng)變曲線,計算橋墩塑性鉸區(qū)域的彎矩——曲率關(guān)系曲線及其能提供的曲率延性。當墩柱底部潛在塑性鉸區(qū)縱、橫向配箍率不低于0.5%時,柱具有足夠的抗震延性能力,但墩柱塑性鉸區(qū)橫向約束箍筋如不能對混凝土提供足夠的橫向約束作用,則墩柱將不滿足其抗強震延性要求。5第二,下部結(jié)構(gòu)設(shè)計1)墩柱底部區(qū)域應(yīng)加密箍筋配置,并應(yīng)符合下列要求:①加密區(qū)的長度不應(yīng)小于彎曲方向截面長度或墩柱上彎矩超過最大極限彎矩80%范圍;②加密箍筋的最大豎向間距不應(yīng)大于10cm或6ds或b/4;其中ds為縱筋的直徑,b為墩柱彎曲方向的截面寬度;③箍筋的直徑不應(yīng)小于10mm;④橫向約束箍筋應(yīng)用等強度焊接來閉合,或者在端部彎過縱向鋼筋伸入砼核心內(nèi),角度至少為135°,錨固長度至少為箍筋直徑的8倍;⑤加密區(qū)箍筋肢距不宜大于25cm;縱向受力鋼筋至少每隔一根宜用箍筋或拉筋固定;⑥矩形截面的最小含箍率ρsmin,順橋向和橫橋向均為0.5%。2)墩柱非加密區(qū)的含箍率不宜小于加密區(qū)的50%,箍筋豎向間距不宜大于10倍的縱筋直徑。3)墩柱的縱筋應(yīng)延伸至承臺的另一側(cè)面,墩柱縱筋宜與承臺鋼筋焊接,如采用搭接錨固,則搭接長度應(yīng)在按《公路橋涵設(shè)計規(guī)范》要求的基礎(chǔ)上另增10ds,ds為縱筋的直徑。4)塑性鉸區(qū)不允許縱向鋼筋搭接,橫向約束鋼筋必須焊接,不允許在保護層砼中簡單地搭接或綁扎橫向鋼筋。5)沿橋梁縱、橫向應(yīng)參照《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》或《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》采取防止落梁裝置和措施。6結(jié)構(gòu)對橋梁約束作用的影響莘閔線獨柱墩高架橋抗震設(shè)計,得到如下結(jié)論與建議:1)高架橋上長鋼軌結(jié)構(gòu)對橋梁的縱向約束作用,顯著減小了橋梁的縱向地震響應(yīng)及對橋梁的抗震延性要求。因此,如不考慮橋上軌道結(jié)構(gòu)對橋梁的約束作用,則計算結(jié)果明顯偏于安全。如考慮橋上軌道結(jié)構(gòu)對橋梁約束的影響,則必須采用實際使用的鋼軌扣件