基礎剛度對框架墩地震響應的影響

劉孟云

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津 300142)

基礎剛度對框架墩地震響應的影響

劉孟云

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津 300142)

文章以京沈客專某跨線框架墩為研究對象，運用有限元軟件Midas/civil建立框架墩的三維空間動力分析模型，研究了基礎剛度對框架墩地震反應的影響。對該框架墩在0.5倍基礎剛度、1倍基礎剛度、2倍基礎剛度、3倍基礎剛度條件下分別進行多遇地震作用下的彈性時程反應分析，分析基礎剛度的變化對框架墩地震反應的影響并總結影響規(guī)律。結果表明：(1)框架墩的基礎剛度對其自振特性影響顯著，自振頻率隨著基礎剛度的增大而增大；(2)基礎剛度的變化對框架墩的地震響應影響顯著，尤其是對框架墩墩柱的地震響應影響更加明顯，其地震響應隨著框架墩基礎剛度的增加而增加；(3)框架墩的地震響應并不是隨著基礎剛度線性變化的，當基礎剛度較小時框架墩的地震響應變化更明顯。

框架墩； 基礎剛度； 時程反應分析； 地震反應

客運專線鐵路速度快，曲線半徑大，常需小角度跨越既有公路、鐵路、管線等，因此具有布置靈活、施工工期短、經(jīng)濟性好、跨越能力強等優(yōu)點的框架墩—梁結構被廣泛采用，并成為客運專線鐵路建設中的常用結構形式。在實際工程中，框架墩剛橫梁與墩柱的連接一般采用剛接，一方面減小了剛橫梁所承受的彎矩，另一方面加強了框架墩的整體性，使其具有較好的抗震性能[2]。

由于框架墩自身的剛度較大且整體結構為多次超靜定體系，框架墩對基礎的約束模擬非常敏感。在靜力計算中為了克服該影響，通常以計算的1倍基礎剛度控制橫梁的變形，2倍或3倍基礎剛度控制墩柱的配筋。在地震作用下其地震反應較為復雜，對框架墩內(nèi)力影響非常敏感的基礎約束條件的模擬，同樣也會對其地震響應產(chǎn)生影響[5]。

本文以京沈客運專線的某框架墩為研究背景，分別在0.5倍基礎剛度、1倍基礎剛度、2倍基礎剛度及3倍基礎剛度4種工況下對該框架墩進行多遇地震作用下的彈性時程反應分析，分析對比框架墩基礎剛度的變化對其自振特性以及地震響應的影響，并總結影響規(guī)律。

1 工程概況

京沈客運專線某鐵路橋框架墩，跨越既有高壓輸油管道，框架墩橫向跨度17 m，橫梁采用預應力混凝土結構，混凝土強度等級為C50。墩柱高10 m，采用鋼筋混凝土結構，混凝土強度等級為C40?？蚣芏丈喜恐?32+32)m簡支箱梁?？蚣芏樟⒚娌贾萌鐖D1所示。

圖1 框架墩立面布置圖(cm)

橫梁跨中梁高為3.0 m，支點處梁高為3.5 m，梁寬為3.5 m，支座位置處采用實心截面，支座左側9.15 m范圍內(nèi)為空心截面，頂?shù)装?、腹板厚度均?.5 m，橫梁與墩柱交界處設置1.5 m×0.5 m倒角。墩柱采用等截面，縱向寬度為3.3 m，橫向寬度為3.0 m，柱周采用R=25 cm圓倒角?？蚣芏栈A采用樁基礎，其中左墩基礎采用5根樁徑為1.25 m的樁，右墩基礎采用6根樁徑為1.5 m的樁。框架墩與上部主梁設置鐵路橋梁球型支座TJQZ-8360，支座在框架墩橫梁上不對稱布置，支座位置分別距橫梁右端1.75 m、6.25 m。橫梁及橋墩截面尺寸如圖2和圖3所示。

圖2 橫梁截面(cm)

圖3 橋墩截面(cm)

2 動力模型的建立及基礎剛度的計算

2.1 動力分析模型的建立

采用MIDAS/Civil建立框架墩的三維空間有限元模型，其中橫梁、橋墩、承臺均采用空間梁單元模擬?？蚣芏丈喜恐蔚闹髁鹤灾丶岸诤爿d采用質量單元模擬，單支座自重反力為2 055 kN，二期恒載按160 kN/m計算，并將上部結構的質量集中在對應的橫梁節(jié)點上。樁—土相互作用效應通過“六彈簧法”進行模擬，在承臺底施加線性的節(jié)點彈性支承模擬地基土的抗力作用。建立的動力有限元模型如圖4所示。

圖4 框架墩動力有限元模型

2.2 基礎剛度的計算

在采用“六彈簧法”模擬框架墩基礎時，首先計算在承臺底部中心分別施加單位水平力及彎矩時承臺底的變形，進而計算集中彈簧的各方向剛度[6]。本文為了分析基礎剛度對框架墩地震反應的影響，選取0.5倍的基礎剛度、1倍的基礎剛度、2倍的基礎剛度及3倍的基礎剛度共4種工況，對框架墩進行多遇地震作用下的彈性時程反應分析。各工況下的基礎剛度如表1所示。

表1 各工況下的基礎剛度

3 基礎剛度對框架墩自振特性的影響

分別計算0.5倍基礎剛度、1倍基礎剛度、2倍基礎剛度及3倍基礎剛度4種工況下框架墩的自振特性，分析基礎剛度對框架墩自振特性的影響。各工況下框架墩的自振頻率對比如表2所示。

表2 各工況下框架墩自振頻率對比

由表2的結果可以看出：

(1)由于框架墩橫梁與墩柱剛性連接且墩高較低，框架墩的整體剛度較大，在1倍基礎剛度下，其基頻約為1.3～2.0 Hz。

(2)基礎剛度對框架墩的自振特性影響顯著，其自振頻率隨著基礎剛度的增大而增大。

(3)前四階自振頻率與后四階相比，框架墩的基礎剛度對其基頻的影響較高階頻率更加敏感。

4 基礎剛度對框架墩地震反應的影響

本場地地震動峰值加速度為0.05 g(地震基本烈度為6度)，反應譜特征周期分區(qū)為一區(qū)，場地類別為Ⅲ類。本文選取橋址場地類別相近的地震波—Taft波作為地震激勵。其所選的地震波加速度時程曲線如圖5所示。

圖5 Taft波加速度時程曲線

在輸入地震波時，根據(jù)規(guī)范要求的多遇地震加速度值對所選地震波的加速度峰值做了調整，調整后的加速度峰值為0.05 g，以確保彈性時程分析的合理性。由于是彈性最大地震反應分析，可以將持續(xù)時間取短些，現(xiàn)取時間為30 s。

將所選的地震波—Taft波沿縱橋向輸入，分別在0.5倍基礎剛度、1倍基礎剛度、2倍基礎剛度及3倍基礎剛度4種工況下對該框架墩進行多遇地震作用下的彈性時程反應分析，整理時程分析結果。以1倍基礎剛度下框架墩右墩墩底彎矩的時程分析結果為基準，分別與0.5倍基礎剛度、2倍基礎剛度、3倍基礎剛度的時程結果進行對比，對比結果如圖6～圖8所示。

圖6 1倍、0.5倍基礎剛度下墩底彎矩時程曲線對比

圖7 1倍、2倍基礎剛度下墩底彎矩時程曲線對比

圖8 1倍、3倍基礎剛度下墩底彎矩時程曲線對比

由圖6～圖8可以看出，與1倍基礎剛度相比較，當框架墩的基礎剛度降低時，墩底彎矩隨之減小，當框架墩的基礎剛度增加時，墩底彎矩隨之增大。

為了具體分析總結基礎剛度的變化對框架墩地震響應的影響規(guī)律，對以上4種工況下框架墩關鍵截面的地震響應進行匯總分析。框架墩橫梁跨中、墩柱墩頂、墩底剪力和彎矩響應匯總對比如表3和表4所示。

表3 多遇地震作用下各工況關鍵截面內(nèi)力匯總

表4 多遇地震作用下各工況關鍵截面內(nèi)力對比

通過表3、表4的計算結果可以看出：

(1)基礎剛度的變化對框架墩地震響應影響顯著，尤其是對框架墩墩柱的地震響應影響更加明顯。

(2)與基礎剛度增加相比較，當基礎剛度減小時框架墩的地震響應變化更明顯?；A剛度減小0.5倍，框架墩的地震響應減小達到35%～40%。

(3)2倍的基礎剛度與3倍的基礎剛度相比，2倍的基礎剛度時地震響應增加更多，說明框架墩的地震響應并不是隨著基礎剛度線性變化的。

(4)同一基礎剛度條件下，該框架墩左墩柱與右墩柱地震響應的變化是不對稱的，這是由于上部主梁的支點位置不對稱造成的。

將所選的地震波—Taft波沿橫橋向輸入，分別在0.5倍基礎剛度、1倍基礎剛度、2倍基礎剛度及3倍基礎剛度4種工況下對該框架墩進行多遇地震作用下的彈性時程反應分析，得出的結論與縱橋向輸入地震波的結論一致。

5 結論

通過在框架墩不同基礎剛度的條件下對其進行多遇地震縱橫向作用下的彈性時程反應分析，可以得到如下結論：

(1)框架墩的基礎剛度對其自振特性影響顯著，自振頻率隨著基礎剛度的增大而增大，與高階頻率相比，基礎剛度對其低階頻率的影響更顯著。

(2)基礎剛度的變化對框架墩的地震響應影響顯著，尤其是對框架墩墩柱的地震響應影響更加明顯，其地震響應隨著框架墩基礎剛度的增加而增加。

(3)框架墩的地震響應并不是隨著基礎剛度線性變化的，當基礎剛度較小時框架墩的地震響應變化更明顯。

(4)同一基礎剛度條件下，該框架墩左墩柱與右墩柱地震響應的變化是不對稱的，

這是由于上部主梁的支點位置不對稱造成的，在對框架墩進行設計時應綜合考慮橫梁、墩柱以及基礎的剛度對框架墩整體抗震性能的影響。

[1] 苗永抗,尹邦武,郭向榮.考慮徐(溫)變效應的列車與連續(xù)梁-框架墩橋耦合振動分析[J].鐵道科學與工程學報,2013,10(2):5-10. MIAO Yongkang, YIN Bangwu, GUO Xiangrong. Vehicle-bridge coupling vibration analysis of continuous beam-framework pier bridge considering concrete creep and temperature deformation[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2013,10(2):5-10.

[2] 姜海君.框架墩溫度內(nèi)力的主要影響因素[J].工程建設與設計,2012,60(4):116-119. JIANG Haijun. The Major Influencing Factor of Temperature Force of Frame Piers[J]. Construction & Design For Project, 2012,60(4):116-119.

[3] 萬明.剛度在框架墩計算中的影響[J].鐵道勘察,2010,31(5):88-89. Wan Ming. Influence of Rigidity in Calculation of Frame Piers[J]. Railway Investigation and Surveying, 2010, 31(5):88-89.

[4] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建鐵路蘭州至烏魯木齊第二雙線可行性研究[R].西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2009. China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd. Feasibility study on second dual line between Lanzhou and Urumqi in new railway[R].Xi’an：China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd, 2009.

[5] 譚良.連續(xù)梁-多框架墩體系地震反應分析[J].鐵道標準設計,2012,28(11):42-44. TAN Liang. Seismic Response Analysis of Continuous Beam with Multiple Framed Piers System[J]. Railway Standard Design, 2012,28(11):42-44.

[6] 燕斌.橋梁樁基礎抗震簡化模型比較研究[D].上海:同濟大學，2007. YAN Bin. Study on Simplified Models of Bridge Pile-foundation Subjected to Earthquake[D].Shanghai：Tongji University, 2007.

[7] 張春芳，宋順忱.津秦客運專線連續(xù)梁-框架墩設計[J].鐵道標準設計,2011,27(9):48-50. ZHANG Chunfang,SONG Shunchen.Design of Frame Piers and Continuous Girder on Tianjin-Qinhuang dao Passenger Dedicated Railway[J].Railway Standard Design, 2011,27(9):48-50.

[8] 馮利波.北京動車段走行線特殊結構橋梁設計[J].鐵道標準設計,2012,28(3):50-53. FENG Libo. Design for Bridge with Special Structure in Running Track of Beijing Electric Multiple-Unit Depot[J].Railway Standard Design, 2012,28(3):50-53.

Effect of Foundation Stiffness on Seismic Response of Frame Pier

LIU Mengyun

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation, Tianjin 300140,China)

Taking a cross-line frame pier on Beijing-Shenyang passenger dedicated line as the research object, this paper established a spatial dynamic analysis model of frame pier with finite element software Midas/civil and analyzed the effect of foundation stiffness on seismic response of frame pier. Through elastic time history response analysis of the frame pier under earthquake action，which on the condition of 0.5 times of foundation stiffness, 1 time of foundation stiffness, 2 times of foundation stiffness and 3 times of foundation stiffness. The influence of the change of foundation stiffness on seismic response of frame pier is analyzed and the influence law is summarized. The results show: (1)The foundation stiffness of the frame pier has a significant impact on its free vibration characteristic，and the natural frequency increases with the increase of the foundation stiffness. (2)The change of foundation stiffness has a significant impact on the seismic response of frame pier, especially the seismic response of column of the frame pier, and the seismic response increases with the increase of the foundation stiffness of frame pier. (3)The seismic response of the frame pier is not linear changed with the foundation stiffness, and the seismic response of the pier is more obvious when the foundation stiffness is smaller.

frame pier; foundation stiffness; time-histories response analysis; seismic response

2016-05-23

劉孟云(1979-)，男，工程師。

1674—8247(2016)05—0016—04

U443.22

A