城市軌道交通連續(xù)梁拱抗震性能分析

何建梅，郭 敏

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引言

城市軌道交通高架橋的抗震性能不僅關系到城市的交通秩序的健康穩(wěn)定,而且更是人們生命安全的重要保障。因此，對城市軌道交通高架橋梁抗震設計進行具體的分析，不僅具有重要的理論意義，而且也同樣具有很高的實際價值。現(xiàn)針對連續(xù)梁拱的結構特性，通過設置減隔震支座，在罕遇地震作用下使得結構達到抗震性能I的要求，結構基本處于彈性工作狀態(tài)，地震后不損壞或輕微損壞，能夠保持其正常使用功能[1，2]。

1 結構有限元計算模型

某橋為35 m+85 m+35 m的下承式連續(xù)梁拱組合體系橋梁，中跨拱結構跨徑85 m，兩側邊跨跨徑為35 m。主跨矢跨比為1∶6，拱肋矢高14.167 m，拱肋軸線為拋物線。橋面寬12 m（見圖1）。

圖1連續(xù)梁拱支點橫斷面圖

該連續(xù)梁拱橋按現(xiàn)行國家標準《鐵路工程抗震設計規(guī)范》（GB50111）進行抗震設計，抗震設防類別劃為B類。地震作用應符合所在地區(qū)抗震設防烈度7度的要求；抗震設防措施等級為7度。該橋場區(qū)所屬的設計地震分組為第一組，特征周期為0.65 s，場地土類型為軟弱場地土，建筑場地類別為Ⅳ類。

采用midas有限元程序建立35 m+85 m+35 m連續(xù)梁拱彈塑性動力計算模型，如圖2所示。主梁、拱肋和橋墩采用三維梁單元，吊桿采用只受拉的桁架單元，二期恒載和橫梁自重作為梁單元附加質量。考慮相鄰邊界條件的影響，在計算模型連續(xù)梁拱兩邊各建3跨簡支梁段。

圖2 連續(xù)梁拱彈塑性動力計算模型

在有限元計算模型中，主梁與橋墩之間的連接關系，以及樁基礎的邊界條件按實際受力特征進行相應的模擬。將連續(xù)梁拱主橋采用軌道橋梁專用鉛芯隔震橡膠支座的結構簡稱為“隔震結構”，支座非線性單元可簡化為雙線性恢復力力學模型進行模擬，樁基礎用節(jié)點彈性支撐模擬（見圖3）。

圖3 連續(xù)梁拱支座布置圖

采用靜力彈塑性pushover方法進行分析，觀察該橋在縱向水平力作用下，只有墩底出現(xiàn)塑性鉸；在橫向水平力作用下，首先在Y墩的Y叉底出現(xiàn)塑性鉸，接著Y叉頂，最后墩底出現(xiàn)塑性鉸。全橋的動力彈塑性分析模型中塑性鉸設置如圖4、圖5所示。

圖4 縱向罕遇地震分析塑性鉸模型

圖5 橫向罕遇地震分析塑性鉸模型

2 結構動力特性

根據(jù)建立的動力計算模型，采用多重Ritz向量法求解橋梁結構動力特性。成橋階段前8階結構自振頻率及相應振型如表1所列。

表1各階振型模態(tài)特性一覽表

為確保行車的舒適性及安全性，軌道交通橋梁在設計上應使橋梁結構橫向自振頻率盡可能避開列車蛇形運動頻率（約0.6～0.8 Hz）。通過動力特性分析可知：連續(xù)梁拱采用減隔震支座后橫向基頻為1.07185 Hz，可滿足要求。

3 動力彈塑性計算結果分析

3.1 判斷屈服狀態(tài)

根據(jù)該橋縱橫向時程分析結果，采用軌道橋梁專用鉛芯隔震橡膠支座，縱向及橫向罕遇地震作用下，全橋塑性鉸均未屈服（見表2）。

表2 墩底屈服狀態(tài)判別一覽表

3.2 罕遇地震下吊桿狀況

罕遇地震作用下，吊桿最大軸力出現(xiàn)在邊吊桿，吊桿力最大值為874 kN，最大拉應力為330 MPa，吊桿的設計強度為 0.9×1860=1674（MPa），因而吊桿的強度系數(shù)為5.07＞2.5，滿足規(guī)范要求。

在罕遇地震作用下吊桿應力最大幅值出現(xiàn)在橫向地震作用工況，中吊桿疲勞應力幅達165 MPa。該項設計采用GJ鋼絞線整束擠壓拉索體系，應力幅允許值為250 MPa，吊桿疲勞應力滿足設計要求。

3.3 罕遇地震支座強度及位移驗算

根據(jù)廠家提供的鉛芯橡膠支座技術參數(shù)，鉛芯橡膠支座水平極限承載力=豎向承載力×30%，極限剪切位移量=總膠層厚度×300%。

GDGZ3500×110型支座：水平極限承載力1050 kN＞最大水平力957 kN，極限剪切位移量=470 mm＞最大剪切位移11.8 mm；

GDGZ20000×180型支座：水平極限承載力6000 kN≈最大水平力6192 kN，極限剪切位移量=770 mm＞最大剪切位移1 mm。

支座滿足規(guī)范抗震驗算要求。

4 結語

通過對35 m+85 m+35 m連續(xù)梁拱橋梁結構采用軌道橋梁專用鉛芯隔震橡膠支座進行時程分析，得到以下結論：

（1）采用軌道橋梁專用鉛芯隔震橡膠支座后，在罕遇地震作用下，全橋橋墩塑性鉸均處于開裂未屈服狀態(tài)。

（2）罕遇地震作用下，吊桿最大軸力出現(xiàn)在邊吊桿，吊桿的強度系數(shù)滿足規(guī)范要求，吊桿應力最大幅值滿足設計要求。

（3）在罕遇地震作用下支座水平極限承載力、極限剪切位移均滿足驗算要求。

綜上，35 m+85 m+35 m連續(xù)梁拱橋梁結構采用軌道橋梁專用鉛芯隔震橡膠支座后，結構可滿足抗震性能I的要求，在罕遇地震作用下，結構能夠保持其正常使用功能，結構基本處于彈性工作狀態(tài)。