轨道交通高架抗震性能分析

轨道交通高架抗震性能分析

1地铁高架与桥梁结构的相互作用轨道和桥梁是城市发展中最受关注的因素之一。目前,我国还没有轨道交通高架桥抗震设计规范,而目前桥梁抗震设计中普遍采用的《铁路工程抗震设计规范》及《公路工程抗震设计规范》又相对滞后,因此,如何确定轨道交通高架桥合理抗震设计参数及采用合理的抗震措施是值得研究和探讨的重要问题。轨道交通高架桥上一般采用支承块式承轨台无碴轨道结构,铺设无缝线路,采用60kg·m-1钢轨,WJ-2型小阻力弹性扣件。桥梁支座为橡胶支座。并且轨道交通高架桥一般长达几km甚至几十km,即使车站与车站之间也有1km左右。在对高架桥进行地震反应分析时,不可能取全桥结构,只能取具有典型结构或特殊地段或有特殊构造的几跨高架。但由于轨道交通高架桥上采用无缝线路,各桥跨间通过长钢轨的联结而具有较强的整体耦联性,相邻后继结构对所取桥跨的地震反应有着较大的影响。本文结合某高架轨道交通线的建设,建立了高架桥梁结构(包括桥上轨道结构)—桩基—土动力相互作用力学模型,计算分析了轨道交通高架桥的非线性地震响应,并对其进行抗震延性分析;重点探讨了高架桥上长钢轨对桥梁的纵向约束作用及后继结构对桥梁抗震性能的影响,分析了橡胶支座对高架桥的减、隔震作用;并提出了轨道交通高架桥合理抗震设计参数及抗震措施。2动态计算公式针对轨道交通高架桥结构,建立了考虑轨道结构、后继结构、桩土相互作用及支座等影响的土—桩—结构动力相互作用计算模型(图1)。2.1轨道结构的影响综合试验结果得表1示每组扣件纵向弹簧恢复力模型主要参数。2.2考虑后果的约束刚度考虑到普通多跨高架桥的纵向地震反应主要由基频(对应振型为纵向一致振动)控制,因此可采用简单的弹簧—质量系统来模拟后继结构的影响,弹簧刚度即为后继结构的静力等效抗推刚度、质量为后继结构的等效质量,阻尼比与原结构相同。本文在建立力学模型时采用此法且对后继结构的考虑采取最不利情况的原则,即所取的计算结构一端安装有钢轨伸缩调节器,仅在一端考虑后继结构的影响,另一端(装有钢轨伸缩调节器端)钢轨断开,不与后继结构相连。轨道交通高架桥后继结构的纵向等效刚度弹簧连接在计算结构主梁上的钢轨上,轨道结构对计算结构纵向约束刚度可由下面的递推公式求得:Kn=Kn-1·Kg/(Kn-1+Kg)+Kz其中,Kg为相邻扣件之间的钢轨轴向刚度,Kz为扣件、支座、墩柱(包括基础)的组合刚度。对于等效质量的取值,由于高架桥地震反应主要由结构基频控制,因此,调整等效质量的数值当计算结构的基频接近原结构的基频时即为所求。桩土相互作用采用桩土的空间刚架模式,板式橡胶支座恢复力模型简化成直线型。3非线性地震反应分析与高架道路桥梁的性质3.1结构模型的制订及地震波的确定,为轨道交通高架结构的抗震提供了依据由于高架轨道交通在我国仍处于起步阶段,目前还没有明确的轨道交通高架桥的抗震设防标准,本文综合美国、日本等国家抗震规范中设防标准的拟定精神及我国抗震研究成果,拟定轨道交通高架桥的抗震设防标准,并选用人工地震波。考虑到轨道交通线的重要性及本文反应谱理论计算结果,为确保轨道交通高架结构的抗震安全性,本文随机选取3组100年超越概率10%、2%的场地震波对结构进行动态时程计算,并对其进行抗震延性分析。图4和图5分别表示对应于超越概率10%(以下简称P1)及2%(以下简称P2)的某1组工程场地地表加速度时程。3.2桥桥地震反应分析为确保墩柱“小震不坏”,即在多遇地震作用时始终处于弹性工作状态,初步拟定墩柱纵向配筋为80Φ25(纵筋配筋率ρl=0.924%),采用场地地震波对轨道交通高架桥进行动态时程地震反应分析,纵向分别考虑有无轨道约束及钢支座与板式橡胶支座四种工况,横向分别考虑有无车及钢支座与板式橡胶支座四种工况。表2～表4分别表示在3组地震波作用下桥梁纵、横向非线性地震响应及延性特征,表8表示单根钢轨在地震作用下产生的内力。表中θpmax表示墩柱最大塑性转角(发生在墩底)。3.3板式橡胶合成桥墩受力性能综合表2、表3及表4(纵向)可知,无论是钢支座桥梁还是橡胶支座桥梁,考虑高架桥上轨道结构对桥梁的纵向约束作用显著减少了桥梁的纵向地震响应,从而亦降低了对桥梁的抗震延性要求,即在同水平地震作用下,所要求的桥梁延性系数明显减小。此外,板式橡胶支座的应用虽使主梁位移有所提高,但明显降了墩柱位移,改善了桥墩的抗震延性性能。综合表2、表3及表4(横向)也同样可见,板式橡胶支座桥梁在地震作用下的主梁位移较钢支座桥梁有所提高,但墩柱的横向非线性地震响应则得以降低。另外,无论是钢支座还是橡胶支座桥梁,不考虑列车活载(即横向无车)时桥梁横向地震响应不一定比考虑50%列车活载(即横向有车)时桥梁横向地震响应小,两者的大小关系取决于桥梁自振特性(有车与无车工况)与输入地震波的主频之间的关系。由表5可见,橡胶支座桥梁在地震作用下,钢轨纵向力高于钢支座情况,罕遇地震作用下,由于大多数扣件已经滑移,因而其钢轨轴力略高于设防烈度地震作用,但无论是设防烈度还是罕遇地震作用,钢轨均满足强度要求。4墩柱延性及断裂的分析为了提高墩柱塑性铰区域的抗震延性能力,在潜在的塑性铰区域通常布置足够的横向约束箍筋。通过横向钢筋的约束作用显著地改善混凝土在大应变时的应力-应变关系,从而大大提高墩柱截面的延性,同时强度也有所提高。本文采用Mander等学者提出的约束混凝土的应力-应变曲线,计算轨道交通高架桥墩柱塑性铰区域的弯矩-曲率关系曲线及其能提供的曲率延性。表6表示墩柱塑性铰区域纵、横向配箍率均取为0.5%时,其纵、横向延性能力,图6表示墩柱纵、横向弯矩-曲率关系曲线。比较表6与表2～表4可知,墩柱底部潜在塑性铰区纵、横向配箍率不低于0.5%能确保墩柱具有足够的抗震延性能力,但墩柱塑性铰区横向约束箍筋如不能对混凝土提供足够的横向约束作用,则墩柱将不满足其抗强震延性要求。5对纵向钢筋的装配和搭接本文结合某轨道交通线独柱墩高架桥抗震设计,采用场地地震波对桥梁进行动态时程计算,并进行抗震延性分析,重点探讨了桥上轨道结构对桥梁的约束作用、对桥梁纵向地震响应的影响及橡胶支座对桥梁的减、隔震作用,得到如下初步结论与建议,供轨道交通高架桥抗震设计参考。(1)桥上轨道结构对桥梁的纵向约束作用显著减小了桥梁的纵向地震响应及对桥梁的抗震延性要求。因此,如不考虑桥上轨道结构对桥梁的约束作用,则计算结果明显偏于安全。如考虑桥上轨道结构对桥梁约束的影响,则必须采用实际使用的钢轨扣件的纵向力学参数。(2)板式橡胶支座的应用,虽然使主梁位移有所增大,但明显减小了桥梁的纵、横向地震响应,改善了桥梁的抗震延性性能。(3)墩柱的纵向钢筋宜对称配置,纵向钢筋的配筋率ρl限制在0.95%≤ρl≤3%范围内。(4)墩柱底部区域应加密箍筋配置,并应符合下列要求:①加密区的长度不应小于弯曲方向截面长度或墩柱上弯矩超过最大极限弯矩80%范围;②加密箍筋的最大竖向间距不应大于10cm或6ds或b/4;其中ds为纵筋的直径,b为墩柱弯曲方向的截面宽度;③箍筋的直径不应小于10mm;④横向约束箍筋应用等强度焊接来闭合,或者在端部弯过纵向钢筋伸入砼核心内,角度至少为135°,锚固长度至少为箍筋直径的8倍;⑤加密区箍筋肢距不宜大于25cm;纵向受力钢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,顺桥向和横桥向均为0.5%,即:ρsmin=AgSkb=0.5%ρsmin=AgSkb=0.5%式中:Sk——箍筋竖向间距/cm;b——垂直计算方向墩柱截面长度/cm;Ag——计算方向箍筋面积/cm2。(5)墩柱非加密区的含箍率不宜小于加密区的50%,箍筋竖向间距不宜大于10倍的纵筋直径。(6)墩柱的纵筋应延伸至承台的另一侧面,墩柱纵筋宜与承台钢筋焊接,如采用搭接锚固,则搭接长度应在按《公路桥涵设计规范》的要求基础上增加10ds,ds为纵筋的直径。(7)塑性铰区不允许纵向钢筋搭接,横向约束钢筋必须焊接,不允许在保护层砼中简单地搭接或绑扎横向钢筋。(8)沿桥梁纵、横向应参照《铁路抗规》或《公路抗规》采取防止落梁装置和措施。在纵向地震作用下,梁墩体系将发生纵向位移,桥梁与钢轨之间则产生纵向相对位移,从而桥上轨道结构对桥梁的纵向位移形成一定的约束作用,与此同时,梁轨相互作用力亦作用于钢轨而导致钢轨受力及变形。对于无碴轨道,桥上长钢轨对桥梁纵向变形的约束作用主要来自扣件的纵向阻力。由于高架桥无碴轨道铺设无缝线路,为减少钢轨与桥梁的相互作用力