上海市轨道交通硕构-独柱墩高架桥地震响应分析

上海市轨道交通硕构-独柱墩高架桥地震响应分析

1轨道交通高架与桥梁结构的强度设计方法新疆-盛闵铁路是中国第一座大型轻架交通线路。从地铁1号线南端出发，距离东川路和火车北站8公里。全长17.28公里，高架线全长16.78公里。高架区间标准段上部结构采用单室单箱简支预应力钢筋混凝土箱梁结构,基本跨径为30m,下部桥墩为流线型独柱墩,墩身纵向尺寸1.7m,横向尺寸2.5m,基础为PHC管桩或桩孔桩,支座采用组合式板式橡胶支座。结构断面见图1。高架桥上铺设支承块式承轨台无碴无缝轨道结构,扣件采用WJ-2型小阻力弹性扣件。目前,我国的轨道交通高架桥还未有现成的抗震设计规范,只能借助于《铁路工程抗震设计规范》和《公路工程抗震设计规范》。上述规范采用以强度为基础的弹性抗震设计方法,该方法概念明确,简单易行,广泛为工程界所采用。但在抗震设计计算中强度设计方法是建立在简单的物理模型、工程实际及很多经验系数之上,设计过程模糊,设计的能力及地震作用对结构的要求在设计中考虑不明确,在地震作用下,结构的性能无法全部体现出来。此外,强度设计方法还无法考虑长大跨度桥的相位差效应,土——桩——结构动力相互作用、桥梁橡胶支座的非线性、长钢轨联结的整体耦合性等问题。当前,欧洲、美国等国的抗震设计规范中均明确采用或体现能力设计方法,克服了强度设计方法的两个缺陷即体系中不同构件强度之间没有层次,无法准确确定地震时塑性铰以及延性能力差、屈服后强度下降快等特性。它能满足和实现“小震不坏,中震可修,大震不倒”的分级设防标准,达到不同烈度和地震作用下结构的强度和变形要求。另外,1995年日本阪神地震更重现了独柱墩桥梁的严重危害,莘闵线全线独柱高架桥抗震性能如何是必须加以研究的重要课题。为此,对莘闵线工程合理抗震设计参数及采用合理的抗震措施进行了重点研究。建立了高架桥梁结构(包括桥上长钢轨结构)——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高桥反应谱分析2.1考虑多种因素下桩—动力计算模型针对轨道交通高架桥结构的特点,建立了考虑长钢轨结构、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(见图2)。2.1.1扣件阻力与钢管纵向位移的关系在纵向地震作用下,桥上长钢轨结构将对桥梁的纵向位移形成一定的约束作用,在梁轨之间形成相互作用力。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,要求扣件阻力较小。为此,本工程高架桥上采用了WJ-2型小阻力弹性扣件。扣件阻力与钢轨纵向位移关系的试验曲线表明:在钢轨纵向滑动前,扣件阻力随钢轨纵向位移的增加而增大,但当梁轨相对位移超过扣件总的弹性变形(称为临界滑动位移)后,梁轨之间就呈滑动状态,扣件阻力趋于常值。因此,扣件纵向动力滞回曲线可简化成理想弹塑性材料的本构关系。2.1.2弹簧刚度的影响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。对后续结构的考虑采取了最不利工况,即所取的计算结构一端安装有钢轨伸缩调节器,仅在另一端考虑后继结构的影响,装有钢轨伸缩调节器一端钢轨断开,不与后继结构相连。2.1.3桩土刚架模式本工程的下部结构墩柱支承在承台上,承台下采用桩基础。桩土相互作用采用桩土的空间刚架模式,即桩间的土按等刚度原则模拟为二力杆,而桩基外围的土按照等刚度原则简化为抗压弹簧,弹簧的一端固定,另一端与桩相连,二力杆及等代土弹簧的刚度由土介质地基系数的比例系数计算。2.1.4板式橡胶合成的恢复力模型区间多跨简支梁桥采用组合式板式橡胶支座,支座静、动力试验结果表明,板式橡胶支座的滞回曲线是狭长形的,所以当频率和剪切变形一定时,支座的力和位移的关系近似成线弹性,其恢复力模型可简化成直线型。2.2工程场区地震影响分析表1为按《铁路工程抗震设计规范》、《公路工程抗震设计规范》及工程场地100年63%超越概率水平反应谱分析地震影响系数计算出的桥梁墩底纵向弯矩值(设防烈度为7度)。表1可知,按《公路工程抗震设计规范》计算所得桥梁内力值是《铁路工程抗震设计规范》值的2.3~2.67倍,这主要是由于两种规范综合影响系数取值不同,尤其是《铁路工程抗震设计规范》不考虑重要性修正系数,而《公路工程抗震设计规范》则要求抗震重点工程重要性修正系数取为1.7。从工程场区反应谱分析结果看,桥梁在多遇地震作用下纵向弯矩值与《公路工程抗震设计规范》所算值较接近。从而表明,在目前还未有城市轨道交通高架桥抗震设计规范的情况下,采用工程场区地震影响系数,按反应谱理论计算,其内力是比较可行的。同时,考虑桥上轨道结构对桥梁的纵向约束作用,桥梁的纵向内力值减少13%~35%。这表明桥上轨道结构对桥梁的纵向约束明显改善了桥梁的纵向抗震性能。此外,橡胶支座桥梁纵向地震反应较钢支座桥梁降低50%左右。3桥梁地震响应分析按墩柱纵向配筋80∅25(纵筋配筋率ρ1=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。随机选取3组100年超越概率10%、2%的场地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。表2列举了其中1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3表示单根钢轨在地震作用下产生的内力。表中Qpmax表示墩柱最大塑性转角(发生在墩底)。由表2分析可知,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,但明显降低了墩柱位移,改善了桥墩的抗震延性性能。同样,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3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应变曲线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。研究中采用Mander等学者提出的约束混凝土的应力——应变曲线,计算桥墩塑性铰区域的弯矩——曲率关系曲线及其能提供的曲率延性。当墩柱底部潜在塑性铰区纵、横向配箍率不低于0.5%时,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第二,下部结构设计1)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%。2)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。3)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》要求的基础上另增10ds,ds为纵筋的直径。4)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。5)沿桥梁纵、横向应参照《铁路工程抗震设计规范》或《公路工程抗震设计规范》采取防止落梁装置和措施。6结构对桥梁约束作用的影响莘闵线独柱墩高架桥抗震设计,得到如下结论与建议:1)高架桥上长钢轨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