轨道交通高架桥的三维有限元分析

轨道交通高架桥的三维有限元分析

1轨道系统与桥梁抗震作用的研究与城市高架桥相比，城市高架桥的显著特点是轨道系统的存在。轨道的存在使得桥梁的整体性增强,为桥梁提供一定的约束,对桥梁的地震反应产生一定的影响。轨道系统的动力性能特点主要体现在无缝长轨与梁体的耦合效应及扣件的力学性能。由于钢轨—扣件系统的约束作用,在地震作用下相邻跨之间的地震反应存在耦联,而在顺桥向地震作用下,该耦联作用更为明显。因此,无缝钢轨对桥梁纵向约束作用对高架桥抗震性能的影响,是值得研究和探讨的重要问题。马坤全指出桥上轨道结构对桥梁的纵向约束作用改善了桥梁的抗震性能,但其改善程度与钢轨扣件的纵向力学参数有关;Maragakis在StrawberryPark有碴桥上测定了该桥的频率及阻尼特性,并调查了轨道对该桥动力性能的影响,实验结果表明,当轨道存在时,传递到相邻路基上的振动很明显;切断钢轨时,结构纵向、横向及垂向的基频均有所下降。罗学海对铁路简支梁桥的实验结果表明,轨道在纵桥向对桥梁有较大的约束,在横桥向对桥梁的约束较小。黄艳等分析了轨道约束对铁路桥梁顺桥向抗震性能的影响,分析表明,在地震中当桥墩刚度相近时,轨道约束对桥墩是有利的;而当桥墩刚度相差较大时,轨道约束对刚度较大的桥墩是不利的。张俊杰分析了轨道系统对桥梁地震反应的影响,分析表明,轨道结构由于延伸到地面或车站而对高架桥有很强的约束作用;同时,与无轨情况相比,轨道结构改变了高架桥的动力特性。轨道、扣件、支座的力学特性以及墩高等结构参数的变化均使上述作用变得复杂。目前我国还没有专门的针对城市轨道桥梁的抗震设计规范,钢轨在轨道桥梁抗震中的作用研究更是相对很少。本文以北京地铁海淀山后线高架桥为研究对象,从轨道桥梁的抗震结构体系入手准确建立全桥三维模型,深入分析钢轨在轨道桥梁抗震中的作用,并采用正确的模拟方法在假定的边界条件下建立结构模型,通过对比计算对其进行深入分析。2在钢-尹结构的作用下，桥梁的抗疲劳结构模型2.1轨道单元与主梁单元的连接高架轨道桥梁采用双线共有四条钢轨平行放置,在模型中采用梁单元进行模拟,材料为钢材,屈服强度为300MPa,将四条轨的截面特性等效为一条轨的特性。轨道单元与主梁单元之间采用DTP(Ⅱ)型小阻尼扣件连接,扣件间距625mm,竖向支承刚度35kN/mm,横桥向刚度50kN/mm,顺桥向刚度4.8kN/mm。同一横截面处,每条轨有两个扣件,双线四条轨共有8个扣件,因此四条轨等效为一条轨之后相应的扣件刚度应该乘以8。桥梁上部结构为两个小箱梁的形式,其断面见图1。主梁通过等截面和等刚度等效成矩形截面,并把铺装等二期恒荷载72kN/m通过质量等效转换成主梁质量。2.2活动盆式起落架上、下部结构之间采用固定盆式支座和单向活动盆式支座连接,真实计入支座连接刚度。建立模型时,定义每一跨的左侧为固定盆式支座,右侧为活动盆式支座。活动盆式支座活动方向定义为顺桥向,横桥向和竖向均固定。采用双线形理想弹塑性弹簧单元模拟活动盆式支座刚度。活动盆式支座的临界滑动摩擦力Fmax(kN)按下式计算:Fmax=μdRFmax=μdR初始刚度为:k=Fmaxxyk=Fmaxxy其中,μd为滑动摩擦系数,一般取0.02;R为支座所承担的上部结构重力(kN);xy为活动盆式支座屈服位移,一般取0.002～0.005m。由表1可知,每个桥墩顶承受上部结构的重力为5769kN,每个桥墩顶有两个支座,一个为左边跨的活动支座一边为右边跨的固定支座。所以R=0.5×5769kN=2884kN,取R=3000kN,屈服位移为0.002m,则初始刚度k为30000kN/m。2.3墩柱全截面配筋下部结构选型采用标准型独柱矩形墩,墩柱横桥向宽2.3m,顺桥向长2.0m,墩高12.5m,墩柱采用C40混凝土现场浇筑,按普通钢筋混凝土构件设计。按多遇地震对桥梁模型进行计算,按容许应力法验算墩柱配筋,见表2。墩柱全截面配筋率ρ=1.3%。在罕遇地震作用下,由于塑性铰已经消耗了大部分的能量,对于非塑性铰区域,仍然可以认为是处于弹性阶段。所以对于非塑性区域的桥墩可以采用普通的线弹性梁单元进行模拟。而对于塑性铰区域,涉及混凝土塑性性能,需要有特殊的处理。SAP2000中对混凝土塑性铰定义有弯矩、剪力、轴力,轴力和弯矩相关(PMM)四种铰。本文中使用的是轴力和弯矩相关的铰。2.4p-y曲线法墩柱下接5.5m×5.5m×2.15m钢筋混凝土承台,承台下设4根直径为1.2m钻孔灌注桩,桩长30m,承台及桩基均采用C30混凝土,均按普通钢筋混凝土构件设计。对于桩土相互作用,本文采用了P-Y曲线法,可通过等代弹簧来实现。利用ENSOFT公司开发的Lpile软件绘制P-Y曲线。本文在桩顶部施加的荷载为:轴力1500kN,顺桥方向的弯矩为200kN·m,横桥方向的弯矩为1000kN·m。经过程序计算,可以得出了LPile根据桩径,土体特性等输入参数自动生成的P-Y曲线,如图2所示。该曲线将以曲线刚度的形式输入给非线形土体弹簧来模拟桩土的相互作用。2.5对于基层波的一般规定,规范要求下的时程波的建设标准以选取时程波作为前提根据采用时程分析法进行地震输入,地震输入由地质安全评估部门提供。对于时程分析,一般情况下规范要求至少三条地震时程波,然后对于结果取最大值。本文所选用的三条地震波为地质安全评估部门人工合成的地震波,如图3所示。3分析轨道桥梁的抗疲劳力3.1桥梁模型的建立为了研究钢轨在轨道桥梁抗震中的作用,应用SAP2000建立了包含轨道的桥梁模型和不包含轨道的桥梁模型。不包含轨道的桥梁模型如图4所示。对于包含轨道的桥梁模型,将轨道分别外延0m,60m和200m,如图5～图7所示。桩土相互作用采用P-Y曲线法进行模拟。对以上各种模型分别进行非线形时程分析。3.2有钢轨结构的地震响应特性分别对所建模型顺桥向和横桥向输入地震波,进行罕遇地震下的弹塑性分析并提取模型中墩墩顶位移和墩底内力进行对比。从表3可以看出,罕遇地震作用下,有钢轨且无外延的结构影响模型与无钢轨时相差很小(位移1.32%,弯矩0.38%和轴力1.57%)。当考虑钢轨外延时,从表中可以看出外延60m和外延200m时墩柱的位移和内力完全相同,没有区别。但是有外延的墩顶位移比有钢轨无外延结构和无钢轨结构小30%左右,弯矩和轴力大6%左右。4轨道约束作用通过以上分析,可以得出以下结论:对于目前轨道桥梁常采用的整体道床,由于钢轨的截面和刚度很大,在顺桥向对桥梁有明显的约束作用,造成墩顶位移的减小。