某铁路空间刚架结构的地震响应分析

武爱兰,苏 伟

(1.中铁一院兰州设计院,兰州 730000；2.铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142)

1 概述

该工点是某高速铁路与既有5线交叉,因高速铁路曲线半径较大,且受地物条件所限,交叉角度很小,如采用常规梁式桥跨越,其跨度将达到150 m以上,其梁高或桥式均不能与当地环境相协调,为此研究采用铁路空间刚架结构这一形式,刚架是一种上部结构和下部结构连成整体的框架结构,这种结构是超静定体系,在垂直荷载作用下,框架底部除了产生竖向反力外,还产生力矩和水平反力。刚架结构由于的桥下净空比较大,一般用于城市或公路的跨线桥和立交桥,尤其是在线路小角度交叉时,需要跨线桥具有较大的纵向和横向跨度,空间刚架成为一种合理的跨线桥构造形式。

某铁路桥梁需要跨越既有铁路五条线,由于需要较大的纵向和横向跨度,采用空间刚架结构做为跨线桥结构形式。设计的空间刚架结构的跨度为32 m,全长124.65 m。桥面系采用钢-混叠合梁结构,钢横梁与边墙通过钢-混凝土结合段连接,边墙采用钢壁板内填混凝土的结构形式。边墙与承台固结,通过横梁与边墙、边墙与承台、承台与基础的刚性连接,形成空间门式刚架结构,具有较大的整体刚度。该空间刚架结构位于8度地震区,一旦在强震条件下发生损坏,将造成极大损失,因此针对该桥进行地震响应分析,评价其抗震性能具有重要的意义。

目前通用的结构地震响应分析方法有反应谱法和动力时程分析方法。反应谱方法通过反应谱概念将动力问题静力化,概念简单、计算方便,但是通常只能用于线性分析。目前大多数国家对于中小跨度桥梁采用反应谱进行地震分析,对于大跨、复杂及重要的桥梁都推荐采用时程分析方法[1],本文采用时程分析方法对空间刚架结构进行地震响应分析。

2 分析模型

采用专业有限元软件MIDAS/Civil建立空间刚架结构的全桥空间有限元分析模型。桥面系由纵横梁、混凝土桥面板及平联组成,采用空间板梁法对桥面系加以模拟,即纵横梁、平联采用空间梁单元,混凝土桥面板采用厚板单元,梁板单元间采用共节点处理；边墙及承台采用板单元模拟,桩基础采用梁单元模拟。

既有结构的抗震研究表明,土与结构相互作用对结构的地震响应有显著影响,对于采用桩基础的结构,更应该考虑桩-土-结构的相互作用。桩-土-结构动力相互作用的计算分析模型可以分为动力Winkler模型、直接有限元模型和集中质量模型。集中质量模型构造简单,模型中反应了动力反应分析中最基本的质量、刚度和阻尼三个因素,计算量较小,因此本文以集中质量模型建立桩-土-结构共同作用的有限元模型。假定桩侧土是Winkler连续介质,以m法确定土体动力相互作用的水平刚度系数,将桩-土体系的质量按一定的厚度简化并集中为一系列质点,离散成理想化的参数系统,并用弹簧模拟土介质的动力特性。

图1 全桥动力分析模型

建立的全桥有限元分析模型如图1示,共有梁单元6 696个、板单元22 521个,1 164处节点弹性支撑。

3 地震加速度激励

在进行地震时程分析时选取了一组根据加速度反应谱拟合的人工波和两组实际强震记录。

关于如何选择实际强震记录,国内外学者进行了大量研究。谢礼立[2]、翟长海[3]提出了最不利设计地震动概念,并给出了常见的4类场地分别对长周期、中周期和短周期3类结构相应的最不利设计地震动。根据该方法,空间刚架(Ⅲ类场地中软土、结构周期0.5～1.5 s属于中周期结构)应选取Parkfield波及El Centro波作为时程分析用实际强震记录。

图2给出了设计地震下人工地震波,Parkfield波及El Centro波的加速度时程曲线,根据设计反应谱,对实际强震记录进行了滤波和峰值加速度修正,修正后的地震动持续时间均为25 s。

4 时程分析结果

4.1 位移响应

横梁及边墙构成了空间刚架的主体结构,横梁和边墙的变形情况决定了结构的整体刚度。图3示出了3种地震波作用下3号刚架跨中横梁的位移时程曲线。

图2 设计地震加速度时程曲线

图3 3号刚架中横梁跨中节点横向位移时程曲线

表1给出了地震波作用下3号刚架横梁跨中及边墙底部的最大变形情况。从表中可以看出,在地震作用下,横向位移响应大于纵向位移响应。

表1 地震作用下3号刚架最大位移响应 mm

4.2 内力响应

空间刚架的主要受力结构是横梁及边墙,横梁采用工字钢高3 m,边墙为2.5 m厚钢箱混凝土结构,横梁与边墙通过钢-混凝土结合段连接。由于横梁相对薄弱,成为控制结构整体安全的关键构件。表2列出了在3种地震波作用下3号刚架中横梁的跨中及梁端内力。从表2中可以看出,横梁内力相对较小,仍处在弹性工作范围内；梁端内力普遍大于跨中内力,由于梁端设置钢-混凝土结合段,为将梁端内力合理、安全传递至边墙,有必要对结合段构造细节进行深入研究。

表2 地震作用下3号刚架中横梁最大内力响应

4.3 应力响应

表3给出了设计地震作用下3号刚架的最大应力响应。钢横梁的最大应力为59.06 MPa,出现在梁端钢-混凝土结合段。边墙及顶板的混凝土最大应力分别为8.4 MPa和6.57 MPa,也出现在钢-混凝土结合段边界。

表3 地震作用下3号刚架中横梁最大内力响应 MPa

ElCentro波作用下桥面板和边墙的应力分布如图4、图5所示。由于钢-混凝土结合段构造复杂,采用梁、板单元,无法得到结合段的真实应力分布,但从计算结果可以判断,钢-混凝土结合段是设计中需要重点考虑的构造。

图4 3号刚架顶板横向正应力(单位：MPa)

图5 3号刚架竖墙竖向正应力(单位：MPa)

5 结 论

针对铁路空间刚架结构这一特殊桥梁结构,采用专业有限元软件MIDAS/Civil 2010,建立全桥空间有限元模型,考虑桩-土-结构相互作用进行了地震时程分析,通过分析可以得到以下结论：

(1)分析结果表明,空间刚架结构纵向和横向刚度较大,能满足设计地震作用下的变形能力要求；

(2)设计地震作用下,横梁、边墙及桥面板等主体结构的应力低于材料的容许应力,主体结构安全性满足抗震设计要求；

(3)设计地震作用下内力和应力分布规律表明,横梁与边墙的连接处受力大、构造复杂,是结构设计的关键点,应对其抗震构造细节加强设计。

[1] 中华人民共和国建设部.GB50111—2006 铁路工程抗震设计规范[S].北京：中国计划出版社，2009.

[2] 范立础,胡世德,叶爱君.大跨度桥梁抗震设计[M].北京:人民交通出版社,2004:16-17.

[3] 谢礼立,翟长海.最不利设计地震动研究[J].地震学报,2003,25(3)250-261.

[4] 翟长海,谢礼立.抗震结构最不利设计地震动研究[J].土木工程学报,2005,38(12)51-58.