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        城市軌道交通高架橋梁抗震設(shè)計分析

        2021-11-06 10:19:06梁軍
        交通科技與管理 2021年31期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計分析軌道交通

        梁軍

        摘 要:城市軌道交通能夠極大緩解城市交通壓力,對城市的發(fā)展起到了重要的作用,在對城市軌道交通高架橋梁的抗震設(shè)計分析時,必須要做好橋梁抗震設(shè)防分類、標(biāo)準(zhǔn)以及性能的有效確定,并進行深入研究,然而在實際的高架橋梁抗震設(shè)計分析中,由于難以得到橋梁抗震結(jié)構(gòu)相應(yīng)的精確值,使得抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)力和變形特征很難有效把握,所以只有加強對城市軌道交通高架橋梁的抗震設(shè)計分析,并結(jié)合設(shè)計工作的特點,才能設(shè)計出合理的抗震需求。

        關(guān)鍵詞:軌道交通;橋梁抗震;設(shè)計分析

        中圖分類號:U442.55 文獻標(biāo)識碼:A

        0 引言

        在城市的快速發(fā)展中,城市軌道交通具有運量大和速度快等優(yōu)點,所以能夠有效緩解當(dāng)今城市的交通運輸壓力,然而在城市軌道交通高架橋梁的設(shè)計過程中,就必須做好高架橋梁的防震措施,這是因為城市軌道交通高架橋梁抗震設(shè)計中的相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸和配筋都由地震的實際情況決定,在抗震分析中,只有使其具有合理的抵抗地震破壞能力,才能更好地推動城市軌道交通的發(fā)展。

        1 城市軌道交通抗震的分類和目標(biāo)

        1.1 抗震設(shè)防的分類

        根據(jù)地震后,城市軌道交通遭受的破壞程度、人員傷亡、直接損失、間接損失以及社會影響程度等,在抗震救災(zāi)中對各類建筑進行設(shè)防劃分[1]。由于抗震設(shè)防分類關(guān)系到人們的生命安全以及社會等各方面的因素,所以在城市軌道交通抗震的接受程度、設(shè)計工作的實際操作中,合理界定城市軌道交通系統(tǒng)中不同的結(jié)構(gòu)抗震類別,這也是抗震設(shè)計工作的必要前提條件。

        1.2 抗震設(shè)防的標(biāo)準(zhǔn)

        城市軌道交通隨著不斷的發(fā)展和衍變,在重要的區(qū)域設(shè)計大跨度的橋梁類型時,往往投資巨大,且設(shè)計和施工的難度又非常高,因此對地震作用下的結(jié)構(gòu)安全也提出了更高的要求。基于此,在城市軌道交通的抗震設(shè)防中,需要做好抗震設(shè)防的標(biāo)準(zhǔn),考慮到軌道交通線路的連續(xù)性和局限性的特點,在制定結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的標(biāo)準(zhǔn)時,就需要嚴格考慮到線路的整體安全性。

        1.3 抗震設(shè)防的目標(biāo)

        城市軌道交通高架橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中常用的設(shè)防目標(biāo)有單一設(shè)防水準(zhǔn)、雙水準(zhǔn)以及三水準(zhǔn)等方式。針對正在完善和發(fā)展的基于性能抗震設(shè)計思路,可以針對不同結(jié)構(gòu)采取多水準(zhǔn)設(shè)防和多性能設(shè)防的設(shè)計目標(biāo),并對不同程度地采用基于性能的抗震思想設(shè)計。在地震作用下的結(jié)構(gòu)抗震性能中,需要各類結(jié)構(gòu)都達到標(biāo)準(zhǔn)的性能需求,做到小幅度地震不會損壞,大幅度地震不會倒塌,中幅度地震只需要維修即可的方式。

        2 鋼筋混凝土本構(gòu)關(guān)系

        2.1 鋼筋混凝土墩柱模擬

        使用鋼筋混凝土墩柱對高架橋梁混凝土墩柱進行計算,采取三維非線性梁柱纖維的方式,并以硬化的修正模型為主。然而在實際的鋼筋對主墩截面中進行纖維劃分時,還需要確保鋼筋混凝土纖維的約束性和非約束性材料模型構(gòu)建[2]。為了更好地考慮到地震的隨機性,設(shè)計的加速時程不得少于三組,并根據(jù)工程地震的安全性進行評價報告分析。

        2.2 支座模擬

        由于高架橋梁抗震設(shè)計中,通過支座模擬的方式,采取減隔震效果的球形鋼支座,能夠使該支座的力學(xué)性能被簡化,最終為雙線性恢復(fù)力學(xué)模型,如圖1所示。在支座荷載中,K1是指滑移前水平剛度,K2是指屈后剛度,Kelf是指等效剛度,D是指水平位移,Dy是指靜摩擦屈服位移,Dd是指設(shè)計水平的位移,F(xiàn)是指水平回復(fù)力,F(xiàn)d是指最大的回復(fù)力,F(xiàn)ly是指支座起滑力。

        2.3 橋梁樁基的模擬

        對橋梁樁基地震模擬分析中,需要考慮到樁、土結(jié)構(gòu)之間的相互作用,當(dāng)前在施工中采取的主要方法就是將地基和基礎(chǔ)離散作為質(zhì)量、癱瘓、阻尼系統(tǒng),能夠更好地實現(xiàn)與橋梁樁基結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的有效整合。在這個過程中,需要沿著深度方向輸入對應(yīng)的土層進行地震反應(yīng)分析,將各單樁按照不同的方式集中為質(zhì)點,并將兩個不同水平方向的群樁節(jié)點加入其中,才能有利于對土層場地振動實現(xiàn)有效的加速效果,對基地彈簧的假定常用公式如下σzx=mzxz,公式中的σzx是指土體對樁的橫向抗力,z是指土層的深度,而xz則是指樁在z處的橫向位移[3]。因此可以得出分層土彈簧的剛度公式如下,,公式中的a是指土層的厚度,bp是指樁的計算寬度,m是指土的振動比例系數(shù),一般取值2~3倍左右。

        2.4 阻尼模擬

        由于在地震作用下的彈塑性響應(yīng)分析的結(jié)構(gòu)黏滯阻尼耗能通常會采用瑞利阻尼比例,且阻尼系數(shù)是根據(jù)系統(tǒng)的質(zhì)量和初始剛度決定的,其計算公式如下,C=aM+bK,其中a,b是指比例系數(shù),并由兩個固定的特有頻率組成,分別是wi,wj和對應(yīng)的振型阻尼比ξ i,ξ j并從以下兩個公式中可以得到對應(yīng)的a和b的數(shù)據(jù),其公式分別如下,。

        3 基礎(chǔ)抗震設(shè)計

        3.1 規(guī)范設(shè)計方法

        在城市軌道交通高架橋梁抗震設(shè)計規(guī)范中,大部分情況下都需要按照保護原則進行基礎(chǔ)抗震設(shè)計進行[4]。隨著抗震設(shè)計逐漸變得規(guī)范化后,采用橋墩底部地震力參與最不利荷載組合,可以實現(xiàn)對基礎(chǔ)強度的驗算,當(dāng)城市軌道交通高架橋梁抗震設(shè)計在允許地震范圍的情況下,才能將地震的基礎(chǔ)帶入到一定程度的非線性狀態(tài),以此判定基礎(chǔ)的穩(wěn)定水平。

        3.2 傾斜樁抗震設(shè)計

        當(dāng)前大部分城市軌道交通橋梁中,很少采取傾斜樁基礎(chǔ),但如果是跨海大橋的設(shè)計中,為了更好地增強基礎(chǔ)水平的剛度,就需要設(shè)置一定數(shù)量的傾斜樁。隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展速度越來越快,軌道交通線路也在不斷擴展,為了更好地滿足軌道交通的基礎(chǔ)運行剛度需求,依舊有可能采用傾斜樁基礎(chǔ)的抗震設(shè)計。針對抗震工程的設(shè)計研究,地震中高樁碼頭斜樁損壞較為明顯,和豎直樁相比,地震中傾斜樁的承受力比較大,并且還需要分擔(dān)著較大的水平地震力,因此屬于重要的抗側(cè)力構(gòu)件。而在對樁群承受豎向與橫向載荷的過程中,斜樁通常也存在一定的優(yōu)勢,能夠減少水平位移的情況發(fā)生,但如果有豎向或者水平土體位移的情況,群樁的工作特性就不會受到較大的影響。

        4 城市軌道交通高架橋梁抗震反應(yīng)分析

        4.1 高架橋梁計算模型

        城市軌道交通高架橋梁抗震反應(yīng)分析時,必須對高架橋梁計算模型進行有效分析,采用有限元空間的方式,建立起模型分析,才能確保橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。而在高架橋梁模型的建模過程中,還需要針對橋梁的主梁、橋墩和承臺等單元進行模擬,有利于更好地計算出高架橋梁的模型圖,如圖2所示。

        4.2 高架橋梁結(jié)構(gòu)動力特性

        在高架橋梁結(jié)構(gòu)動力特征的建模中,必須采取多重向量的方式對高架橋梁結(jié)構(gòu)動力特征進行求解。但由于橋梁成橋前,一般會有10個階段的自振頻率以及振型周期性的特點。這10個階段的自振頻率周期一般都處于1.211 s~

        2.055 s之間,所以能夠同時做到縱向與橫向振動。

        4.3 常遇地震工況下強度驗算

        首先是結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計算中,在城市軌道交通高架橋梁抗震分析中,應(yīng)分別計算順橋與橫橋的水平地震作用。其次是對結(jié)構(gòu)強度的驗算時,如果遇到地震時,高架橋梁結(jié)構(gòu)就必須處于彈性工作的階段中,有利于更好地控制墩底截面的強度,其中混凝土最大應(yīng)力為13.7,鋼筋最大應(yīng)力為112.71,混凝土容許壓應(yīng)力為20.25,鋼筋容許應(yīng)力為270。而各控制墩底截面強度驗算中,混凝土最大應(yīng)力為11.8,鋼筋最大應(yīng)力為98.48,混凝土容許壓應(yīng)力為20.25,鋼筋容許應(yīng)力為270。通常情況下,在對城市軌道交通高架橋梁抗震混凝土預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)設(shè)計時,由于受彎矩的影響,使得偏心受壓構(gòu)件的最小配筋率必須不低于0.15%,因此就必須考慮到橋墩作為偏心受壓構(gòu)件,才能實現(xiàn)對墩身最小配筋率的有效驗算,而主筋直徑和根數(shù)分別是順橋向φ28/23和橫橋向φ28/16時,順橋向配筋率為0.31%,最小配筋率為0.15%,橫橋向配筋率為0.22%,最小配筋率為0.15%,同時能夠滿足墩身的需求。

        5 結(jié)束語

        城市軌道交通高架橋梁的抗震設(shè)計分析過程中,必須要遵循城市軌道交通的特點和社會因素,才能確保高架橋梁的抗震效果,同時結(jié)合國內(nèi)外橋梁抗震設(shè)計規(guī)范的研究成果,計算地震反應(yīng)的抗震設(shè)計內(nèi)容,并采用能力保護原則明確的情況,最終完成結(jié)構(gòu)既定的功能目標(biāo)需求。

        參考文獻:

        [1]段昕智.強震區(qū)城市高架橋抗震設(shè)計的若干問題[J]. 中國市政工程,2019(1):27-29.

        [2]羅剛,劉志軍.城市軌道交通高架橋結(jié)構(gòu)設(shè)計研究[J]. 現(xiàn)代城市軌道交通,2019(5):100-104.

        [3]何建梅.城市軌道交通預(yù)制節(jié)段拼裝單薄壁連續(xù)剛構(gòu)抗震性能分析[J].城市建設(shè)理論研究(電子版),2019(3):142.

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