铁路钢管混凝土系杆拱桥设计及计算分析.pdf

桥梁 连 续 梁 一 多 框 架 墩 体 系 地 震 反 应 分 析 谭良 ( 铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处，天津300142) 摘要：连续梁一多框架墩结构体系为客运专线上为实现小角度立交跨越的新型结构形式，通过进行时程分析和反 应谱分析，确定结构体系墩梁连接的合理形式，验证出结构体系在高烈度震区多遇地震和罕遇地震作用下，拥有可 靠的抗震性能。 关键词：连续梁；框架墩；反应谱；时程分析 中图分类号：U 238；U 4425+5文献标识码：A文章编号：10042954( 2012)l l 一004203 Sei s m i c ResponseA nal ysi s ofCont i nuousB eam w i t h M ul t i pl e Fr am edPi ers Syst em TA NLi ang ( Bri dgeD esi gnD epart m ent oftheThir d Rai l w aySur vey and D esign Ins t i t ut e G roupCor por ati on，Ti anJin300142，C hi na) A bst r act ：Thest r uct ur esyst emof cont i nuousbeamw i t h m ul t i pl e f ram ed pi er s i sanewst ruct urefor mi n rai l w aypassengerdedi cat edli ne，w hi ch i ssui t abl e f ort he s panni ng of gradesepar at i on w i t hasm al l angleB y m eansof responsespect rumanalysi s andt i m e hi st or yanal ysi s，t hi spaper confi rm st he reasonabl econnect i onfor mbet w eent hebeamandt he pier oft he com posi t est r uct ur e，and ver if i est hat t hest ruct urecanhasr el i ablesei sm i c perf ormances undert heact ionsof frequenteart hquakes and st rong eaahquakesr especti vel y i nhi ghsei sm i ci nt ensi ty regi ons K eyw or ds：conti nuousbeam ；f r am edpi er；r esponsespectr um ；t im ehi st or yanal ysi s 1 概况 某客运专线上跨既有双线铁路，交叉角度仅有 1333。，净空受限，采用716m 连续梁一多框架墩结 构跨越，主桥共采用5个框架墩，框架墩横梁与线路方 向成12。一15。法向角，横梁高加墩柱高为143 15m 。主桥平面布置见图1。 圈1主桥平面布置 上部梁跨采用预应力混凝土连续梁结构，基础采 用钻孔桩基础。框架墩横梁采用预应力混凝土结构， 墩柱采用钢筋混凝土结构，立面布置见图2。 横梁除与立柱交接处及支承点处采用实体截面 收稿日期：2012一06一13 作者简介：谭良(1980一)。男，工程师，2003年毕业于西南交通大学 土木工程专业，工学学士E- m ail ：m nl_O 163corn。 42 ( a) 立面彻侧面 图2框架墩立面布置 外，均采用箱形截面；墩柱采用矩形截面，向外一侧纵 向加弧，墩高方向呈上、下大，中间小的曲线线形，连续 梁的其他次边墩和联间墩采用流线形圆端实体墩。 连续梁一多框架墩体系属于B 类桥梁结构，重要 性系数多遇地震作用下取15，罕遇地震作用下取 10。桥梁所处地区地震设防烈度为8度，场地类别划 分为类，地震动反应谱特征周期为045S。 连续梁一多框架墩结构体系是一个空间受力结构， 采用M I D A SCi vi l 有限元程序进行全桥抗震分析，梁部 用板单元、桥墩及承台采用梁单元模拟，承台底部按桩 基础计算刚度输入，如图3所示。 铁道标准设计RA 儿W AYSTA N D A R DD ESIG N2012( j J) 谭 良一连续梁一多框架墩体系地震反应分析 图3连续梁一多框架墩体系计算模型 2墩梁连接形式分析 在此以前的框架墩设计中，上部结构以简支梁结 构居多，连续梁与框架墩采用何种连接方式能更好地 参与受力、获得更好的抗震性能是结构分析的重点。 框架墩与上部连续梁的连接可分为3种方式： (1)连续梁通过一个固定支座与下部桥墩相连， 简称单固定墩结构体系； (2)连续梁通过多个固定支座与下部桥墩相连， 简称多固定墩结构体系； (3)墩梁固结，即框架墩的横梁作为连续梁底板 的一部分成为十字梁结构体系。 按多遇地震考虑，采用时程分析方法对3种体系 进行比较，地震波时程分析数据如图4所示。 80 60 蚕竺0 呈一20 加；愀卜 ： ”一1_一q” 。 篡累嚣搽并麓筢激 单固定纵向4 697 27076811317866003420 墩体系横向 1057l62413638105440006 33 多固定纵向 2617904352785836001730 墩体系横向 1186l57814727i 0413000529 双十字纵向 2608894334035782001620 粱体系横向 1156156814314102800005 O i 通过上述结果进行分析，3种体系的横向地震力 作用下受力差别不大，但单固定墩体系在纵向地震力 下的受力和位移比其他2种体系大很多，若采用单固 定墩体系，需大大加强固定墩的纵向刚度，而刚度加大 一般情况下又加大了地震响应，因此采用单固定墩体 系是不合理的；多固定墩体系和十字梁体系受力比较 接近，采用十字梁体系结构抗震、抗扭性较好，整体刚 度大，能有效地降低结构高度，但是受力计算较复杂， 施工必须用支架现浇的法，墩梁一次施工时间长，对 铁道标准设计 RA I LW A ySTA N D A R DD E SI G N2012( IJ) 桥梁 既有线影响较大，相比较而言，多固定墩体系受力明 确，墩、梁可分次施工，施工安全风险小。 框架墩为框架结构，加上受空间的限制和美观协 调性等方面的影响。单个墩柱往往不会具有特别大的 刚度，采用多固定墩体系将纵向力作用分配在多个框 架墩上，避免受力集中，减小桥墩纵向位移，是一种合 理的结构形式，而且各墩结构尺寸基本一致，刚度和质 量分布匀称，提高了全桥的抗震性能。需要注意的是， 在墩高较小或墩柱纵向刚度特别大的时候，多固定墩 之间上部结构在温度力作用下的变形是否能得到释 放，若不能满足，则需要进行梁部温度跨度和墩柱刚度 之间关系的研究分析，由于工点处为跨越既有线，墩柱 较高，不受此条件限制。 因此，对于多孔的连续梁一多框架墩体系在墩柱 刚度能满足梁部温度变形的前提下，应尽量采用多个 框架墩作为固定墩，按刚度分配纵向力作用，避免纵向 地震作用力集中，可有效加强结构体系的整体抗震性 能。结合工点处的具体施工条件、地震烈度等地质条 件，采用常规墩梁支座连接的形式，取最中间的3个框 架墩作为固定墩进行抗震分析。 3 多遇地震作用下的地震反应分析 采用多固定墩体系进行分析比较，反应谱分析下 的地震反应较时程分析的更大一些。框架墩横梁为预 应力结构，地震反应并不明显，在结构体系中地震反应 最大的还是墩柱部分，反应谱分析下的墩柱地震力作 用如图5一图8所示。 图5纵向地震力作用下的剪力内力圈I纵向) l 单位：kN ) I -曼 匡 珏一 j 圈6纵向地震力作用下的弯矩 内力图( 纵向l( 单位：kNm ) 反应谱分析下的最大地震反应列于表2。 综合2种计算方法的分析结果可以得出，框架墩 纵向地震力作用下受力和位移均比横向地震力作用下 不利；纵向地震力作用下最不利位置在3个固定墩前 43 匿 一 霍 口 一 桥梁 谭良一连续梁一多框架墩体系地震反应分析 落 一 图8横向地震力作用下的弯矩内力图 ( 横向)( 单位：kNm ) 表2反应谱分析计算结果 后2个墩的近线路端墩柱底部；横向作用最不利位置 为3个固定墩靠小里程框架墩的远线路端墩柱底部。 由此可见，框架墩的平面布置对其抗震性能有很大影 响，内力图中3个固定墩的中间墩2个墩柱基本对称 线路布置，其所受作用比较均匀，相比前后2个固定 墩，其内力值反而小；前后2个固定墩因质量在2个墩 柱上的不均匀分配引起2个墩柱地震响应的非对称分 布，因此，在框架墩横梁跨度较大时，应控制框架墩在 线路中心两侧的横梁跨度比，避免地震响应过于集中 在一侧墩柱。另外，框架墩墩柱地震力作用下的纵向 弯矩为从上到下线形加大，而横向弯矩成上下大、中间 小的哑铃形状，墩中局部区域受地震力作用较小，墩柱 结构尺寸可根据其受力特点进行设计。 从计算结果比较来看，结构体系在反应谱分析下 较时程分析计算结果受力更大，地震响应更为明显，可 见进行连续梁一框架墩设计时采用反应谱方法进行抗 震分析，能保证结构的安全性。 将反应谱分析下的纵、横向地震力与恒载、活载组 合，分别按有车、无车进行框架墩的结构验算。桥上有 车时，顺桥向检算不计算活载引起的地震力，横桥向检 算计入50的活载引起的地震力。计算得出墩柱配 筋率在136一208，墩柱最大拉应力为2434 M Pa。横梁在地震力组合作用下，截面均为压应力，应 力值在128754M Pa。 4延性设计 按照铁路抗震规范中关于延性设计的要求，框架 44 墩墩柱全截面最小配筋率为136，最大配筋率为 208，均介于05一4；框架墩底部箍筋加强，按 10cm 间距布置，其余部位间距15 cm ，箍筋直径16 m m 。根据配筋设置进行延性计算，来验证结构体系在 罕遇地震作用下的性能。 由于罕遇地震作用下，结构体系不能再维持弹性 的工作状态，而进入弹塑性工作状态的只能是框架墩 本身。根据铁路抗震规范中“表521铁路桥梁设防 目标及分析方法”的规定，按照非线性时程反应分析 法进行框架墩的延性验算和最大位移分析。对框架墩 进行罕遇地震作用下的动力弹塑性分析，延性验算应 满足下列要求 肛。：拿肛。 肛u 2百l 肛u J 式中肛。非线性位移延性比； 肛。允许位移延性比，取值为48； 桥墩的非线性响应最大位移； 。桥墩的屈服位移。 非线性时程分析仍采用M I D AS进行建模计算，经 过上述计算分析，可以判断，框架墩顶、底位置为可能 出现塑性铰位置，对墩顶、底可能屈服区域的截面分别 进行非弹性铰的模拟，混凝土和钢筋材料分别根据合 理的滞后模型定义。并完全按照施工图框架墩墩柱配 筋图对截面进行线性分割。因纵向地震作用结构体系 地震反应比较明显，故只对墩柱进行纵向地震反应 分析。 罕遇地震纵向力作用下，墩底为发生塑性铰区域， 最不利截面弯矩一转角曲线如图9所示。 10 08 言06 04， 02 r b0L 晕-02L 鼎_04L 静-06L 么7 7t - 08一 -10一一J - 2721一15_09-030309152127 转角00-3r *l m ) 图9弯矩一转角曲线 纵向地震力作用下受压端均处于弹性工作范围 内，受拉端截面保护层混凝土将退出工作，但并未显示 破碎。受拉侧主筋在不同的时程点均有可能屈服，最 先屈服的为截面角点处钢筋，钢筋应力应变曲线如图 10所示。 钢筋达到屈服强度后，应力、应变增加量均很小， 可认为钢筋应力未超出屈服阶段，且钢筋在卸载后基 本上维持线弹性工作，截面仍然有一定刚度可继续发 挥作用。 ( 下转第64页) 铁道标准设计RA LW A YSTA N D A R DD ESI G N2012( jj ) N 位单 墨匡 写川!I 巨匡 一横圈 q 力内力剪 毫防 的下用作力 震地向横 7 圈 桥梁 田万俊一关于山区客运专线铁路桥梁的几点认识 井基础的特点。如图10所示。该方案刷方量较小，基 础施工相对容易，建议逐步完善推广使用。 3 结语 图10整体式基础方案 我国幅员辽阔，地形地貌千变万化，山区桥梁设计 要充分结合现场的地质地形条件和有效利用现有的施 工设备，制定灵活、适宜的桥梁设计、施工方案，为我国 山区客运专线的桥梁设计奠定坚实的基础。 参考文献： 1田万俊客运专线桥梁和相关专、lk的接口及处理方法J 铁道标 (上接第44页) 日 山 一 2 R 倒 准设计，2007(2)：5253 2白琦成山区高速铁路桥梁设计几个问题探讨J，铁道标准设 计，2011(2)：5055 3屈匡时简谈桥梁指导性施工组织编制J桥梁建设，1999(1)： 6668 4h东平，王胜利209m 2扩大断面石质围岩隧道C R D工法施工技 术 J 铁道标准设计，2008( 11) ：7376 5孙树礼京沪高速铁路桥梁工程J铁道标准设计，2008(6)： l 一4 6吴红军桥群、隧道群广泛相间情况下桥梁施工方案研究J铁 道标准设计，2010(2)：8690 7陈浩，等铁路客运专线900t 箱梁提运架设备研究【j 铁道标 准设计，2008(3)：14 8陈列，许佑顶武广铁路客运专线韶关至花都段设计的主要特 点 J 铁道标准设计，2010(1)：1921 9刘亚滨桥隧相连和两桥并行区段的整孔箱梁架设技术研究J 铁道标准设计，2009( 6) ：2128 10刘家锋我国铁路客运专线中小跨度简支箱梁架设方法综述J 铁道标准设计。2010( 6) ：4247 11饶少臣大跨高墩T构铁路桥设计研究 J铁道标准设计， 2005(11) ：5256 一歹 一 应变，1护 图10屈服钢筋应力一应变曲线 根据计算桥墩的屈服位移为00448m ，罕遇地震 纵向力作用下框架墩最大纵向位移为0052m ，计算 得出延性比116，可得纵向地震力作用下，延性验算 满足要求。 综上所述，连续梁一多框架墩体系具有达到罕遇地 震要求的抗震性能。 5 结语 (1)根据对框架墩地震受力分析，得出连续梁一多 框架墩体系采用多个框架墩作为固定墩是一种合理的 结构形式，可有效加强结构体系的整体抗震性能。 (2)从反应谱分析和时程反应分析的结果得出， 多遇地震作用下，连续梁一多框架墩体系具有较好的 抗震性能；框架墩在平面上的不对称性，使得框架墩在 地震力作用下的地震反应不对称，故在进行桥墩设计 时应尽量控制横梁跨度和框架墩在上部结构支撑中心 两侧的横梁跨度比，避免地震作用过于集中。 (3)通过非线性时程分析，连续梁一多框架墩体系 64 能达到罕遇地震作用下的抗震要求。 (4)根据规范要求应按设计地震考虑对连接构造 进行强度验算，应结合支座设计进行相应分析检算。 (5)现在，抗震计算以外，抗震概念设计和抗震构 造设计摆在了更重要的位置。以往的铁路桥梁抗震设 计除了结构本身的安全分析，对于抗震措施的设置考虑 较少，处于高烈度震区的连续梁一多框架墩体系在防落 梁装置、基础设计及各部连接构造等方面应注意加强。 参考文献： 1中华人民共和国铁道部TBl 06212009高速铁路设计规范(试 行) S北京：中国铁道出版社，2009 2中华人民共和国铁道部TBl 0002，32005铁路桥涵钢筋混凝 土和预应力混凝土结构设计规范s 北京：中国铁道出版 社，2005 3中华人民共和国铁道部TBl 000252005铁路桥涵地基和基 础设计规范 S j C 京：中国铁道出版社，2005 4中华人民共和国铁道部G B S01112006铁路工程抗震设计规 范 S 北京：中国计划出版社，2009 5田万俊预应力混凝土框架墩设计研究J 铁道标准设计， 2003(8) ：6769 6孙树礼高速铁路桥梁设计与实践M 北京：中国铁道出版 社，2011 7铁道部第三勘测设计院桥梁地基和基础M 北京：中国铁道出 版社。1991 8陈克坚，袁明汶川地震后对铁路桥梁抗震设计有关问题的思考 J 铁道工程学报，2008( S) ：176180 9高宗余，李龙安，屈爱平汶川大地震对铁路桥梁抗震设计的启示 与建议J 铁道工程学报，2008(12)：183189 10柳春光桥梁结构地震响应与抗震性能分析M 北京：中国建筑 工业出版社，2009 11 范立础桥梁抗震M 上海：同济大学出版社，1997 铁道标准设计R A ILW A YSTA N D A R D D E SI G N2012( JJ)