劉孟云
(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,天津300241)
矮塔斜拉橋是一種比較新穎的介于連續(xù)梁橋和斜拉橋之間的一種斜拉組合體系橋型。它的特點是受力性能好、性價比合理、施工方便、外形美觀。
目前,矮塔斜拉橋在公路建設(shè)中已被廣泛應(yīng)用,但在鐵路建設(shè)中還比較少見。國內(nèi)僅有蕪湖長江大橋是公路、鐵路兩用的矮塔斜拉橋。本文所引用的工程實例——天津樞紐津滬聯(lián)絡(luò)線特大橋,是我國把矮塔斜拉橋用于鐵路建設(shè)的一次新的嘗試。
本橋設(shè)計長度360.8 m,孔跨布置采用(65.4+115+115+65.4)m,共4孔(圖1)。橫向雙線中心間距4.2 m,主梁寬度14.4 m,索塔橫向間距13.4 m。
圖1 整體布置示意圖
根據(jù)實例橋梁結(jié)構(gòu)特點,本文借助有限元分析軟件MIDAS建立了該橋的空間有限元模型(圖2)。按照《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50111-2005)的規(guī)定,全橋共劃分為257個單元,273個節(jié)點。主梁及橋墩、橋塔用梁單元模擬,斜拉索用桁架單元模擬,承臺底固接,箱梁采用單箱三室截面。
圖2 MIDAS全橋模型
地震反應(yīng)分析方法的不斷完善需要依賴于地震力理論逐步發(fā)展。隨著地震作用理論的不斷演化,在目前為止,常用的確定性地震反應(yīng)分析方法總共有三種,即靜力法、反應(yīng)譜法和動態(tài)時程分析法。本文著重對實例橋梁模型進(jìn)行彈塑性動態(tài)時程法分析。
本文采用的是武田(Takeda)三線性彎矩~曲率滯回模型(配筋率取0.7%,配箍率取0.05%),計算所得B墩、B塔底截面武田三線性骨架曲線見圖3、圖4(其余截面骨架曲線未一一列出),彎矩-曲率關(guān)系見表1。
圖3 順橋向B墩底截面三線性骨架曲線
圖4 順橋向B塔底截面三線性骨架曲線
表1 剛構(gòu)橋墩、塔底截面的彎矩-曲率一覽表
天津樞紐津滬聯(lián)絡(luò)線特大橋位于7度地震區(qū),場地類型III類,特征周期分區(qū)2區(qū)。參照《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定,在7度區(qū)的罕遇地震下的重要橋梁,水平地震加速度α取0.32 g。本文在選擇地震波時,采用歷史記錄的罕遇實際地震波,分別選用 El Centro地震波、Taft地震波和Northridge地震波,調(diào)整峰值為0.32 g之后的三條波見圖5~圖7。
圖5 調(diào)整后的Elcentro波
圖6 調(diào)整后的Taft波
圖7 調(diào)整后的Northridge波
文中的彈塑性分析考慮地震力的縱向(X向)和橫向(Y向)輸入。由于所用實例橋梁墩、塔都較矮,所以地震波輸入時墩底和塔底部所受的地震力最大,故本文將塑性鉸的位置定義在橋墩和索塔的最底部單元。
計算過程中發(fā)現(xiàn),在罕遇地震時,地震波橫向輸入時不能使橋墩和索塔底部進(jìn)入塑性階段,所以本文只提取了三種地震波作用下順橋向關(guān)鍵部位的計算結(jié)果(其中順橋向索塔底部未進(jìn)入塑性階段,如圖12所示),其余結(jié)果未一一列出。
表2 按彈性和彈塑性罕遇地震順橋向時程分析計算的B塔、墩最大位移值和B塔、墩底最大彎矩值
鋼筋混凝土橋墩在罕遇地震作用下的彈塑性變形分析,采用非線性時程分析法時,根據(jù)規(guī)范規(guī)定延性驗算應(yīng)滿足式(1)要求。
式中:μu為非線性位移延性比;[μu]為允許位移延性比,取值為4.8;Δmax為橋墩的非線性響應(yīng)最大位移(Δmax=89.35 mm);Δy為橋墩的屈服位移;Φy為屈服曲率(Φy=5.2E-04/m);H為橋墩高度(H=13 m)。
經(jīng)過計算μu=3.05<[μu]=4.8,滿足規(guī)范要求。
圖8 順橋向E波作用下的B塔頂位移時程曲線
圖9 順橋向E波作用下的B塔底彎矩時程曲線
圖10 順橋向E波作用下的B墩頂位移時程曲線
圖11 順橋向E波作用下的B墩底彎矩時程曲線
圖12 E波作用下橋塔底彎矩-曲率滯回曲線
圖13 E波作用下橋墩底彎矩-曲率滯回曲線
本文通過對該橋進(jìn)行罕遇地震下的彈塑性地震反應(yīng)震分析,即非線性時程反應(yīng)分析,主要得到如下結(jié)論:
(1)在順橋向罕遇地震地震波作用下,墩底進(jìn)入塑性,但塔底均處于彈性范圍內(nèi);而橫向地震波作用下,墩底、塔底均處于彈性范圍內(nèi),未發(fā)生屈服。
(2)在順橋向罕遇地震地震波作用下,經(jīng)過計算μu=3.05 <[μu]=4.8,滿足延性要求。
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