彈性支承塊式軌道橋梁地震響應設計

文 / 云南京建軌道交通投資建設有限公司 陳爵

本文從地震作用角度出發，選取彈性支承塊式軌道橋梁作為案例，借助有限元軟件Midas Civil，完成有限元模型分析，并結合典型地震波作用，分析案例地震響應情況。研究結果顯示，以主梁結構作為研究重點，不考慮結構形式在設計方面具有更高的安全性。但是如果將結構形式考慮在內，橋墩頂位移更符合行業要求。因此，于抗震設計而言，可選擇將結構形式考慮在內，確保設計安全性。

引言

目前，彈性支承塊式軌道橋梁在行業中應用較為常見。該結構最早在瑞士得以應用，后被我國引進。它能夠有效提升整體性能，特別是在抗震性能方面具有較為明顯優勢。具體而言，應用彈性支承塊式軌道橋梁，不僅彈性良好，并且具備一定減振降噪功能。本文對該結構地震的響應及設計展開分析。

研究背景

近年來國內地震災害頻發，既往城市軌道交通橋梁在應用過程中受到強震影響，引發線路軌道幾何不平順情況，導致行車安全性下降。因此，以保障行車安全作為研究重點，應加強地震響應設計。選擇彈性支承塊式軌道橋梁，并通過合理選擇結構模式，進一步提升橋梁抗震性設計。

案例分析

本文選取彈性支承塊式軌道橋梁作為典型案例，展開研究，將其劃分為考慮、不考慮結構形式兩種，借助有限元軟件Midas Civil，經抗震計算，建立模型。在這一過程中，不納入車輛因素。針對考慮軌道結構形式，主要使用結構為彈性支承塊式軌道結構，以動力學角度出發，形成仿真模型。仿真模型見圖1。

圖1 模型圖

建立地震響應模型

在對模型進行初步設計后，2種模型均選擇連續箱梁橋作為結構，可借助等截面形式，對箱梁進行處理，并以二次拋物線作為中墩、邊墩的梁高，在各跨度中，分別設置橫隔板。同時，對主梁截面參數進行控制，詳見表1。

表1 主梁截面參數

為便于對后續橋梁抗震性能進行分析，建立有限元模型。其中，各跨度需要借助三維梁單元進行描述，并使用滯后系統，對支座進行模擬處理，以節點彈性作為支承，選擇土彈簧形式，對樁土相互作用進行模擬。

針對不考慮結構形式，在模型構建完成后，模型中需要保持荷載與橋梁進行直接作用，并做好線荷載集度控制工作，該項指標保持在104.9kN/m。針對考慮結構形式，在模型構建過程中，可借助梁單元，模擬橋梁內部組成部分。在模型計算過程中，需要以上部結構作為依據，結合線荷載集度參數情況，確保計算準確性，建立完成有限元模型，為后續地震響應計算奠定基礎。

地震響應計算

針對橋梁結構而言，自振頻率、振型與動力性能密切相關，并且能夠對其進行一定的反應。借助有限元軟件Midas Civil，經多重Ritz向量法，對兩種橋梁模型進行分析，可獲取到特征值。在這一過程中，需要將不同模態考慮在內。基于不考慮結構形式，計算公式為，其中，Gt為支座頂面質量重心換算質點重力，Gsp為橋梁上部結構重力，Gp為墩身重力，Gcp為蓋梁重力，為重力換算系數，順橋向振型質量計算結果為99.77%，橫橋向為99.68%，豎向為99.98%。而基于考慮結構形式，在模型中，三種振型質量參數分別為99.90%、99.68%、99.99%，符合橋梁抗震設計相關要求。

本文選取6階自振周期進行動力學分析。基于不考慮結構，在第1階，周期為0.561，振型為每增加豎向彎曲，兩聯主梁均處于豎彎狀態，經順橋向，主梁可保持同向振動，在橋墩中，針對順橋向，主要呈現同向彎曲振動。在第2階，周期為0.530，振型為每增加豎向彎曲，兩聯主梁均處于同向豎彎狀態，經順橋向，主梁將保持反向振動狀態，在順橋向，橋墩振動形式為同向彎曲。在第3階，周期為0.520，振型為每增加豎向彎曲，兩聯主梁均處于同向豎彎狀態，在順橋向，主梁主要振動為同向，經順橋向，橋墩振動需要保持同向彎曲。在第4階，周期為0.486，每增加豎向彎曲，兩聯主梁將會出現反向豎彎，并且在順橋向，該主梁振動呈現反向，并且在橋墩中，主要呈現反向彎曲振動。在第5階，周期為0.482，每次彎曲時，主梁均呈現同向平彎狀態，并且在橫橋向，橋墩振動將會呈現同向彎曲。在第6階，周期為0.474，在每次出現彎曲后，主梁將會出現反向平彎狀態，在橫橋向，橋墩將會呈現反向彎曲振動。

基于考慮結構，在第1階，周期為0.547，振型為每增加豎向彎曲，主梁將會出現同向豎彎情況，在順橋向，橋墩處于同向彎曲。在第2階，周期為0.465，振型為每增加豎向彎曲，主梁將會保持同向平彎，在橫橋向，橋墩將會處于彎曲振動狀態。在第3階，周期為0.446，振型為每增加豎向彎曲，主梁將會呈現同向平彎狀態，在橫橋向，需要保持主梁呈現同向彎曲振動情況。在第4階，周期為0.390，在增加豎向彎曲后，主梁主要呈現反向平彎狀態，當處于橫橋向時，橋墩的振動狀態將會呈現反向彎曲。在第5階，周期為0.384，振型為針對一聯主梁，在豎向彎曲的情況下，另外的主梁不會發生振動情況，經順橋向，橋墩主要呈現反向彎曲振動。在第6階，周期為0.310，振型為針對兩聯主梁，彎曲主要呈現對稱水平方向，在橫橋向，橋墩的振動主要呈現反向彎曲。

結合上述數據可知，對比不考慮結構形式，考慮結構形式自振周期更小，這主要與模型在構建過程中將軌道質量、剛度考慮在內有關。而在不考慮結構形式中，模型構建主要以軌道質量作為依據，未對軌道剛度等因素進行考慮。因此，考慮結構形式的模型在自振周期方面具有更小的自振周期。在6階模態中，對兩種模型的模態進行觀察。兩者在第1階中的模態基本處于一致狀態，同時，考慮結構形式模型中的第2階與不考慮模型中的第5階基本相同，前者第3階與第6階基本相同。這說明，以彈性支承塊式軌道橋梁作為研究重點，受到結構形式不同影響，將會導致動力響應出現一定改變，但整體影響幅度相對較低。

在進行地震荷載增加前，以整體結構著手，將荷載采取動力的方式進行添加，借助有限元模型Midas Civil，獲取最終效應，對結構地震響應進行分析。針對地震動峰值，如果加速度處于0.2g，基于橫橋向、順橋向，兩種結構形式模型在位移值方面并不相同，但是變化規律處于一致狀態。在地震動作用強度不同的情況下，與考慮結構形式相比較，不考慮結構形式主梁位移值更高，但是該模型在橋墩頂位移方面存在過小的問題。調整地震動峰值，如果加速度為0.1g，針對不考慮結構形式，墩頂位移為47.2mm，考慮結構形式為51.0mm，存在一定的誤差。相關研究表明，在橋墩頂位移過大的情況下，將會增加橋梁倒塌風險。因此，可選擇考慮結構形式，完成抗震設計，能夠確保橋墩頂位移值符合實際地震響應需求。

對于主梁結構而言，對比考慮結構形式，在支點負彎矩、跨中正彎矩、支點剪力方面，不考慮結構形式相對更高，具有更高的安全性。結合地震動強度增加，觀察主梁內力值，同樣也會呈現增長趨勢。究其原因，軌道、主梁結構均能夠在一定程度上對地震荷載進行承擔，但是在不考慮結構形式的情況下，軌道承載作用往往會直接被忽視，在模型中，主要由主梁單方面完全承擔地震荷載作用。因此，以主梁結構展開研究，不考慮結構形式雖然能夠確保設計安全性，但針對實際設計工作，可選擇考慮結構形式作為設計方法，確保主梁結構強度得到最大化發揮。

結語

綜上所述，針對有限元模型分析顯示，不考慮結構形式主梁位移值更高，進而造成橋墩頂位移過小，因此，以提高抗震設計作為重點，應選擇考慮結構形式模型。同時，對比支點負彎矩、跨中正彎矩、支點剪力，不考慮結構形式相對更高。基于地震動強度提升，兩種模型內力值將會隨之提升。說明針對主梁結構，不考慮結構形式的設計思路相對保守，實際設計中可選擇考慮結構形式完成抗震設計，提高設計安全性。