城市轨道交通连续梁拱抗震性能分析

何建梅，郭 敏

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510010）

0 引言

城市轨道交通高架桥的抗震性能不仅关系到城市的交通秩序的健康稳定,而且更是人们生命安全的重要保障。因此，对城市轨道交通高架桥梁抗震设计进行具体的分析，不仅具有重要的理论意义，而且也同样具有很高的实际价值。现针对连续梁拱的结构特性，通过设置减隔震支座，在罕遇地震作用下使得结构达到抗震性能I的要求，结构基本处于弹性工作状态，地震后不损坏或轻微损坏，能够保持其正常使用功能[1，2]。

1 结构有限元计算模型

某桥为35 m+85 m+35 m的下承式连续梁拱组合体系桥梁，中跨拱结构跨径85 m，两侧边跨跨径为35 m。主跨矢跨比为1∶6，拱肋矢高14.167 m，拱肋轴线为抛物线。桥面宽12 m（见图1）。

图1连续梁拱支点横断面图

该连续梁拱桥按现行国家标准《铁路工程抗震设计规范》（GB50111）进行抗震设计，抗震设防类别划为B类。地震作用应符合所在地区抗震设防烈度7度的要求；抗震设防措施等级为7度。该桥场区所属的设计地震分组为第一组，特征周期为0.65 s，场地土类型为软弱场地土，建筑场地类别为Ⅳ类。

采用midas有限元程序建立35 m+85 m+35 m连续梁拱弹塑性动力计算模型，如图2所示。主梁、拱肋和桥墩采用三维梁单元，吊杆采用只受拉的桁架单元，二期恒载和横梁自重作为梁单元附加质量。考虑相邻边界条件的影响，在计算模型连续梁拱两边各建3跨简支梁段。

图2 连续梁拱弹塑性动力计算模型

在有限元计算模型中，主梁与桥墩之间的连接关系，以及桩基础的边界条件按实际受力特征进行相应的模拟。将连续梁拱主桥采用轨道桥梁专用铅芯隔震橡胶支座的结构简称为“隔震结构”，支座非线性单元可简化为双线性恢复力力学模型进行模拟，桩基础用节点弹性支撑模拟（见图3）。

图3 连续梁拱支座布置图

采用静力弹塑性pushover方法进行分析，观察该桥在纵向水平力作用下，只有墩底出现塑性铰；在横向水平力作用下，首先在Y墩的Y叉底出现塑性铰，接着Y叉顶，最后墩底出现塑性铰。全桥的动力弹塑性分析模型中塑性铰设置如图4、图5所示。

图4 纵向罕遇地震分析塑性铰模型

图5 横向罕遇地震分析塑性铰模型

2 结构动力特性

根据建立的动力计算模型，采用多重Ritz向量法求解桥梁结构动力特性。成桥阶段前8阶结构自振频率及相应振型如表1所列。

表1各阶振型模态特性一览表

为确保行车的舒适性及安全性，轨道交通桥梁在设计上应使桥梁结构横向自振频率尽可能避开列车蛇形运动频率（约0.6～0.8 Hz）。通过动力特性分析可知：连续梁拱采用减隔震支座后横向基频为1.07185 Hz，可满足要求。

3 动力弹塑性计算结果分析

3.1 判断屈服状态

根据该桥纵横向时程分析结果，采用轨道桥梁专用铅芯隔震橡胶支座，纵向及横向罕遇地震作用下，全桥塑性铰均未屈服（见表2）。

表2 墩底屈服状态判别一览表

3.2 罕遇地震下吊杆状况

罕遇地震作用下，吊杆最大轴力出现在边吊杆，吊杆力最大值为874 kN，最大拉应力为330 MPa，吊杆的设计强度为 0.9×1860=1674（MPa），因而吊杆的强度系数为5.07＞2.5，满足规范要求。

在罕遇地震作用下吊杆应力最大幅值出现在横向地震作用工况，中吊杆疲劳应力幅达165 MPa。该项设计采用GJ钢绞线整束挤压拉索体系，应力幅允许值为250 MPa，吊杆疲劳应力满足设计要求。

3.3 罕遇地震支座强度及位移验算

根据厂家提供的铅芯橡胶支座技术参数，铅芯橡胶支座水平极限承载力=竖向承载力×30%，极限剪切位移量=总胶层厚度×300%。

GDGZ3500×110型支座：水平极限承载力1050 kN＞最大水平力957 kN，极限剪切位移量=470 mm＞最大剪切位移11.8 mm；

GDGZ20000×180型支座：水平极限承载力6000 kN≈最大水平力6192 kN，极限剪切位移量=770 mm＞最大剪切位移1 mm。

支座满足规范抗震验算要求。

4 结语

通过对35 m+85 m+35 m连续梁拱桥梁结构采用轨道桥梁专用铅芯隔震橡胶支座进行时程分析，得到以下结论：

（1）采用轨道桥梁专用铅芯隔震橡胶支座后，在罕遇地震作用下，全桥桥墩塑性铰均处于开裂未屈服状态。

（2）罕遇地震作用下，吊杆最大轴力出现在边吊杆，吊杆的强度系数满足规范要求，吊杆应力最大幅值满足设计要求。

（3）在罕遇地震作用下支座水平极限承载力、极限剪切位移均满足验算要求。

综上，35 m+85 m+35 m连续梁拱桥梁结构采用轨道桥梁专用铅芯隔震橡胶支座后，结构可满足抗震性能I的要求，在罕遇地震作用下，结构能够保持其正常使用功能，结构基本处于弹性工作状态。