站橋合一式復(fù)雜結(jié)構(gòu)的動力特性及抗震分析

陳 雷， 陳遠(yuǎn)久， 賈繼祥

(西南交通大學(xué)橋梁工程系，四川成都610031)

鋼-混組合結(jié)構(gòu)兼具鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著，因而在我國得到了廣泛的應(yīng)用[1]。站橋合一作為一種新近發(fā)展起來的結(jié)構(gòu)，可以最大化地發(fā)揮城市空間利用率，提高城市交通運(yùn)營效率[2]。其主要受力結(jié)構(gòu)常采用鋼-混組合結(jié)構(gòu)，雖在工程實(shí)踐中已有了部分應(yīng)用，但截止到目前對其系統(tǒng)理論研究仍略顯不足，研究成果并不豐富[3-6]。本文以某站橋合一式的綜合交通樞紐為依托，采用橋梁空間有限元計(jì)算分析軟件Midas/Civil分析其動力特性和地震響應(yīng)，為站橋合一技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用提供有益的參考。

1 工程概況

某站橋合一式的結(jié)構(gòu)位于城市主干道上，為3條地鐵線路的換乘樞紐，客流量巨大。車站采用地下三層多跨框架式結(jié)構(gòu)，車站主體長120 m，寬96 m，為了滿足建筑功能和景觀需求，中庭部分50 m×48 m范圍內(nèi)無支撐柱。中庭大跨區(qū)域縱橫向主梁采用矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，支撐柱采用圓形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，車站邊跨小跨度區(qū)域縱橫向主梁采用矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，支撐柱采用圓形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知目前國內(nèi)的中庭大跨最大跨徑為24 m，此項(xiàng)目中的中庭大跨的跨徑之大實(shí)屬罕見。中庭大跨及其附屬部分結(jié)構(gòu)平面示意圖如圖1所示。

圖1 中庭大跨及其附屬部分結(jié)構(gòu)平面示意(單位:mm)

地鐵車站上方布置一座跨徑為(50+80+50) m三跨連續(xù)鋼箱梁橋，鋼箱梁橋?yàn)槟媳弊呦颍渲?0 m主跨位于車站正上方。橋梁結(jié)構(gòu)采用雙柱式混凝土墩，主跨的兩橋墩與車站的轉(zhuǎn)換梁固結(jié)，形成復(fù)雜的站橋合一式結(jié)構(gòu)體系，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)的動力特性對結(jié)構(gòu)性能的影響尤為關(guān)鍵，通過分析其動力特性可以為結(jié)構(gòu)的抗震分析提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支撐。

圖2 站橋合一式結(jié)構(gòu)

2 有限元計(jì)算模型

采用橋梁有限元分析軟件Midas/Civil建立站橋合一結(jié)構(gòu)空間有限元計(jì)算模型，如圖3所示。地鐵車站結(jié)構(gòu)柱和縱橫梁采用梁單元模擬，三層樓板采用板單元模擬，整個(gè)結(jié)構(gòu)共劃分2 565個(gè)單元。樁基礎(chǔ)端部按固結(jié)處理，橋墩和主梁采用彈性連接。三跨連續(xù)鋼箱梁采用Q345鋼材，橋墩采用C40混凝土，地鐵車站鋼結(jié)構(gòu)采用Q420鋼材，混凝土采用C60混凝土，相關(guān)的材料參數(shù)見表1。

圖3 站橋合一結(jié)構(gòu)有限元模型

表1 材料參數(shù)

3 結(jié)構(gòu)動力特性分析

采用多重Ritz向量法對該站橋合一結(jié)構(gòu)進(jìn)行特征值分析，通過計(jì)算得到了結(jié)構(gòu)的前30階模態(tài)，確保站橋合一結(jié)構(gòu)在三個(gè)方向上的振型參與質(zhì)量均滿足大于90 %的要求。其中前5階振型及自振頻率如表2所示，前5階自振模態(tài)如圖4所示。

表2 站橋合一結(jié)構(gòu)自振頻率、周期及振型特征

圖4 整體結(jié)構(gòu)前五階振動模態(tài)

由上述圖表可知：

(1)站橋合一結(jié)構(gòu)基頻為1.312 4 Hz，周期為0.762 0 s。前五階振動模態(tài)均表現(xiàn)為地鐵車站的邊跨振動，邊跨振動幅度較大，中跨振動幅度較小。說明站橋合一結(jié)構(gòu)的動力特性主要由地鐵車站控制，邊跨振動較大是因?yàn)檫吙缁炷亮簷M向連接較弱，為改善邊跨的動力特性，實(shí)際工程中可適當(dāng)在邊跨增設(shè)橫梁，增強(qiáng)邊跨混凝土梁的橫向剛度。

(2)受到地鐵車站的影響，站橋合一結(jié)構(gòu)中鋼箱梁橋的基頻為1.363 9 Hz，周期為0.733 2 s，第1階振型是順橋向縱飄。說明地鐵上方橋梁的振動模態(tài)隨地鐵車站的振動模態(tài)發(fā)生相應(yīng)改變，站橋合一結(jié)構(gòu)的動力特性由地鐵車站控制。

4 單獨(dú)鋼箱梁橋動力特性分析

為研究站橋合一結(jié)構(gòu)和單獨(dú)鋼箱梁橋結(jié)構(gòu)動力特性的區(qū)別，重新建立鋼箱梁橋模型并分析其動力特性，根據(jù)兩者的動力特性結(jié)果判別站橋合一結(jié)構(gòu)中地鐵車站對橋梁的影響。采用多重Ritz向量法求解結(jié)構(gòu)的前30階模態(tài)，取其前5階自振特性如表3所示，前5階振型圖如圖5所示。

由上述圖表可知：

(1)單獨(dú)鋼箱梁橋基頻為1.585 0 Hz，周期為0.630 9 s。

表3 單獨(dú)鋼箱梁橋自振頻率、周期及振型特征

單獨(dú)鋼箱梁橋鋼箱梁橋前兩階振型特征是豎向撓曲，第3階振型出現(xiàn)縱飄，第4階振型出現(xiàn)橫彎；而站橋合一結(jié)構(gòu)中鋼箱梁橋的基頻為1.368 9 Hz，周期為0.730 5 s，第1階振型是順橋向縱飄。說明與下部車站合建之后，受到地鐵車站的影響鋼箱梁橋的基頻變小。

(2)對比站橋合一結(jié)構(gòu)和單獨(dú)鋼箱梁橋的前5階振型，站橋合一結(jié)構(gòu)的前5階振型主要是下部車站的橫向和縱向的變形，鋼箱梁橋未出現(xiàn)豎向變形，而單獨(dú)鋼箱梁橋模型第1階振型為豎向正對稱撓曲，說明與下部車站合建之后，鋼箱梁橋的橫橋向和縱橋向剛度均變小。

(3)站橋合一結(jié)構(gòu)的基頻小于單獨(dú)鋼箱梁橋的基頻，而且前5階振型中站橋合一結(jié)構(gòu)的基頻均小于單獨(dú)鋼箱梁橋的頻率，說明站橋合一結(jié)構(gòu)的動力特性由地鐵車站控制。

圖5 模型前5階振型

5 站橋合一結(jié)構(gòu)時(shí)程分析

5.1 地震波的選取

現(xiàn)有工程結(jié)構(gòu)的抗震分析方法有反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法，時(shí)程分析法屬于瞬態(tài)動力學(xué)分析方法，可以計(jì)算在地震荷載激勵(lì)下結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力隨著時(shí)間變化的關(guān)系[7]。本文采用時(shí)程分析法(線型)分析站橋合一結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。該結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別為B類，分區(qū)特征周期Tg=0.35S，場地類型為Ⅱ類，抗震設(shè)防烈度為7(0.1g)，對EL-Centro_t波進(jìn)行修正并作為地震動輸入。修正后的地震波如圖6所示。

圖6 修正EL-Centro_t波

本文采用縱向、橫向、縱向+豎向、橫向+豎向、縱向+橫向+豎向五種工況來分析站橋合一結(jié)構(gòu)中鋼箱梁橋主梁控制截面內(nèi)力。為了便于敘述取鋼箱梁橋支座處與跨中處14個(gè)梁截面進(jìn)行編號，如圖7所示。

圖7 支座與跨中控制截面編號

5.2 時(shí)程分析結(jié)果

采用Midas/Civil有限元軟件進(jìn)行時(shí)程分析后，得到五種工況下的主梁控制截面受力情況，限于篇幅原因，截取1～7號主梁控制截面的內(nèi)力表如表4～表6所示。

為了便于分析結(jié)果，將縱向+橫向+豎向三維地震波一致激勵(lì)工況的內(nèi)力數(shù)值結(jié)果作為基準(zhǔn)值，得到各工況下控制截面軸力、彎矩的比值，并繪制點(diǎn)線圖，如圖8、圖9所示。

表4 不同工況下主梁控制截面內(nèi)力

表5 不同工況下主梁控制截面內(nèi)力

圖8 各工況下主梁控制截面軸壓力比值

表6 不同工況下主梁控制截面內(nèi)力

圖9 各工況下主梁控制截面彎矩比值

綜合上述5個(gè)工況下的時(shí)程分析結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

(1)不同方向地震激勵(lì)下，最大軸力、最大彎矩均出現(xiàn)在跨中支座處3號截面，為橋梁抗震設(shè)計(jì)中承載力的控制截面。

(2)分析主梁控制截面的軸力時(shí)，縱向+豎向工況下的軸力最大，縱向地震波對主梁控制截面的軸力影響較大，表現(xiàn)為縱向地震水平力對主梁軸力的參與效應(yīng)，與結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論相吻合。

(3)在縱向工況和橫向工況等一維激勵(lì)作用下，相對于三維激勵(lì)作用，主梁跨中支座處3號截面和5號截面的負(fù)彎矩均有所增大，但增加幅度僅為5 %。

(4)最大正彎矩在中跨跨中4號截面，站橋合一結(jié)構(gòu)在地震作用下，橋梁彎矩的分配模式發(fā)生相應(yīng)改變。

6 結(jié)論

通過采用橋梁有限元軟件Midas/Civil對站橋合一結(jié)構(gòu)的動力分析以及不同工況地震波輸入下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，可得出以下主要結(jié)論：

(1)站橋合一結(jié)構(gòu)前五階振動模態(tài)均為地鐵車站的邊跨振動，邊跨振動幅度較大，中跨振動幅度較小，站橋合一結(jié)構(gòu)的動力特性主要由地鐵車站控制。

(2)在地鐵車站影響下，鋼箱梁橋基頻變小，橫橋向和縱橋向剛度均變小。

(3)站橋合一結(jié)構(gòu)的基頻小于單獨(dú)鋼箱梁橋的基頻，而且前5階振型中站橋合一結(jié)構(gòu)的基頻均小于單獨(dú)鋼箱梁橋的頻率，說明站橋合一結(jié)構(gòu)的動力特性由地鐵車站控制。

(4)不同方向地震激勵(lì)下，最大軸力、最大彎矩均出現(xiàn)在主梁跨中支座處3號截面，為橋梁抗震設(shè)計(jì)中承載力的控制截面。

(5)分析主梁控制截面的軸力時(shí)，縱向+豎向工況下的軸力最大，縱向地震波對主梁控制截面的軸力影響較大，表現(xiàn)為縱向地震水平力對主梁軸力的參與效應(yīng)，與結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論相吻合。

(6)在縱向工況和橫向工況等一維激勵(lì)作用下，相對于三維激勵(lì)作用，主梁跨中支座處3號截面和5號截面的負(fù)彎矩均有所增大，但增加幅度僅為5 %。

(7)最大正彎矩在中跨跨中4號截面，站橋合一結(jié)構(gòu)在地震作用下，橋梁彎矩的分配模式發(fā)生相應(yīng)改變。