軌道交通高架抗震性能分析

軌道交通高架抗震性能分析

1地鐵高架與橋梁結(jié)構(gòu)的相互作用軌道和橋梁是城市發(fā)展中最受關(guān)注的因素之一。目前,我國還沒有軌道交通高架橋抗震設(shè)計規(guī)范,而目前橋梁抗震設(shè)計中普遍采用的《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》及《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》又相對滯后,因此,如何確定軌道交通高架橋合理抗震設(shè)計參數(shù)及采用合理的抗震措施是值得研究和探討的重要問題。軌道交通高架橋上一般采用支承塊式承軌臺無碴軌道結(jié)構(gòu),鋪設(shè)無縫線路,采用60kg·m-1鋼軌,WJ-2型小阻力彈性扣件。橋梁支座為橡膠支座。并且軌道交通高架橋一般長達幾km甚至幾十km,即使車站與車站之間也有1km左右。在對高架橋進行地震反應分析時,不可能取全橋結(jié)構(gòu),只能取具有典型結(jié)構(gòu)或特殊地段或有特殊構(gòu)造的幾跨高架。但由于軌道交通高架橋上采用無縫線路,各橋跨間通過長鋼軌的聯(lián)結(jié)而具有較強的整體耦聯(lián)性,相鄰后繼結(jié)構(gòu)對所取橋跨的地震反應有著較大的影響。本文結(jié)合某高架軌道交通線的建設(shè),建立了高架橋梁結(jié)構(gòu)(包括橋上軌道結(jié)構(gòu))—樁基—土動力相互作用力學模型,計算分析了軌道交通高架橋的非線性地震響應,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動態(tài)計算公式針對軌道交通高架橋結(jié)構(gòu),建立了考慮軌道結(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(圖1)。2.1軌道結(jié)構(gòu)的影響綜合試驗結(jié)果得表1示每組扣件縱向彈簧恢復力模型主要參數(shù)。2.2考慮后果的約束剛度考慮到普通多跨高架橋的縱向地震反應主要由基頻(對應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。本文在建立力學模型時采用此法且對后繼結(jié)構(gòu)的考慮采取最不利情況的原則,即所取的計算結(jié)構(gòu)一端安裝有鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器,僅在一端考慮后繼結(jié)構(gòu)的影響,另一端(裝有鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器端)鋼軌斷開,不與后繼結(jié)構(gòu)相連。軌道交通高架橋后繼結(jié)構(gòu)的縱向等效剛度彈簧連接在計算結(jié)構(gòu)主梁上的鋼軌上,軌道結(jié)構(gòu)對計算結(jié)構(gòu)縱向約束剛度可由下面的遞推公式求得:Kn=Kn-1·Kg/(Kn-1+Kg)+Kz其中,Kg為相鄰扣件之間的鋼軌軸向剛度,Kz為扣件、支座、墩柱(包括基礎(chǔ))的組合剛度。對于等效質(zhì)量的取值,由于高架橋地震反應主要由結(jié)構(gòu)基頻控制,因此,調(diào)整等效質(zhì)量的數(shù)值當計算結(jié)構(gòu)的基頻接近原結(jié)構(gòu)的基頻時即為所求。樁土相互作用采用樁土的空間剛架模式,板式橡膠支座恢復力模型簡化成直線型。3非線性地震反應分析與高架道路橋梁的性質(zhì)3.1結(jié)構(gòu)模型的制訂及地震波的確定,為軌道交通高架結(jié)構(gòu)的抗震提供了依據(jù)由于高架軌道交通在我國仍處于起步階段,目前還沒有明確的軌道交通高架橋的抗震設(shè)防標準,本文綜合美國、日本等國家抗震規(guī)范中設(shè)防標準的擬定精神及我國抗震研究成果,擬定軌道交通高架橋的抗震設(shè)防標準,并選用人工地震波。考慮到軌道交通線的重要性及本文反應譜理論計算結(jié)果,為確保軌道交通高架結(jié)構(gòu)的抗震安全性,本文隨機選取3組100年超越概率10%、2%的場地震波對結(jié)構(gòu)進行動態(tài)時程計算,并對其進行抗震延性分析。圖4和圖5分別表示對應于超越概率10%(以下簡稱P1)及2%(以下簡稱P2)的某1組工程場地地表加速度時程。3.2橋橋地震反應分析為確保墩柱“小震不壞”,即在多遇地震作用時始終處于彈性工作狀態(tài),初步擬定墩柱縱向配筋為80Φ25(縱筋配筋率ρl=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。表2～表4分別表示在3組地震波作用下橋梁縱、橫向非線性地震響應及延性特征,表8表示單根鋼軌在地震作用下產(chǎn)生的內(nèi)力。表中θpmax表示墩柱最大塑性轉(zhuǎn)角(發(fā)生在墩底)。3.3板式橡膠合成橋墩受力性能綜合表2、表3及表4(縱向)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,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,板式橡膠支座的應用雖使主梁位移有所提高,但明顯降了墩柱位移,改善了橋墩的抗震延性性能。綜合表2、表3及表4(橫向)也同樣可見,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5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墩柱延性及斷裂的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變時的應力-應變關(guān)系,從而大大提高墩柱截面的延性,同時強度也有所提高。本文采用Mander等學者提出的約束混凝土的應力-應變曲線,計算軌道交通高架橋墩柱塑性鉸區(qū)域的彎矩-曲率關(guān)系曲線及其能提供的曲率延性。表6表示墩柱塑性鉸區(qū)域縱、橫向配箍率均取為0.5%時,其縱、橫向延性能力,圖6表示墩柱縱、橫向彎矩-曲率關(guān)系曲線。比較表6與表2～表4可知,墩柱底部潛在塑性鉸區(qū)縱、橫向配箍率不低于0.5%能確保墩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對縱向鋼筋的裝配和搭接本文結(jié)合某軌道交通線獨柱墩高架橋抗震設(shè)計,采用場地地震波對橋梁進行動態(tài)時程計算,并進行抗震延性分析,重點探討了橋上軌道結(jié)構(gòu)對橋梁的約束作用、對橋梁縱向地震響應的影響及橡膠支座對橋梁的減、隔震作用,得到如下初步結(jié)論與建議,供軌道交通高架橋抗震設(shè)計參考。(1)橋上軌道結(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的縱向力學參數(shù)。(2)板式橡膠支座的應用,雖然使主梁位移有所增大,但明顯減小了橋梁的縱、橫向地震響應,改善了橋梁的抗震延性性能。(3)墩柱的縱向鋼筋宜對稱配置,縱向鋼筋的配筋率ρl限制在0.95%≤ρl≤3%范圍內(nèi)。(4)墩柱底部區(qū)域應加密箍筋配置,并應符合下列要求:①加密區(qū)的長度不應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箍筋的直徑不應小于10mm;④橫向約束箍筋應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%,即:ρsmin=AgSkb=0.5%ρsmin=AgSkb=0.5%式中:Sk——箍筋豎向間距/cm;b——垂直計算方向墩柱截面長度/cm;Ag——計算方向箍筋面積/cm2。(5)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。(6)墩柱的縱筋應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,則搭接長度應在按《公路橋涵設(shè)計規(guī)范》的要求基礎(chǔ)上增加10ds,ds為縱筋的直徑。(7)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。(8)沿橋梁縱、橫向應參照《鐵路抗規(guī)》或《公路抗規(guī)》采取防止落梁裝置和措施。在縱向地震作用下,梁墩體系將發(fā)生縱向位移,橋梁與鋼軌之間則產(chǎn)生縱向相對位移,從而橋上軌道結(jié)構(gòu)對橋梁的縱向位移形成一定的約束作用,與此同時,梁軌相互作用力亦作用于鋼軌而導致鋼軌受力及變形。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