本文摘要：摘 要：懸掛式單軌結(jié)構(gòu)軌道梁為開口鋼箱梁，具有結(jié)構(gòu)剛度
摘 要：懸掛式單軌結(jié)構(gòu)軌道梁為開口鋼箱梁，具有結(jié)構(gòu)剛度小、活載與恒載比值大、寬跨比小和結(jié)構(gòu)阻尼比小等特點(diǎn)。文章利用 MIDAS Civil 分析懸掛式單軌結(jié)構(gòu)不同跨度、墩高及形式(連續(xù)梁和簡支梁)的振動特性和地震響應(yīng)規(guī)律。研究結(jié)果表明，其結(jié)構(gòu)主要振型以軌道梁橫向彎曲變形、梁墩扭轉(zhuǎn)和彎曲變形為主，墩高、跨度、結(jié)構(gòu)形式以及行車對結(jié)構(gòu)抗震性能影響較大;采用 20 m 跨度、矮墩、簡支形式的設(shè)計(jì)方案有利于結(jié)構(gòu)體系的抗震性能;目前運(yùn)營的懸掛式單軌結(jié)構(gòu)能夠滿足城市軌道交通抗震設(shè)防要求。
關(guān)鍵詞：懸掛式單軌;結(jié)構(gòu)振動;地震響應(yīng)
0 引言
懸掛式單軌結(jié)構(gòu)具有單位長度質(zhì)量、恒載活載比、結(jié)構(gòu)阻尼比、橫向剛度及抗扭剛度均較小等特點(diǎn)，其抗震性能與其他制式的軌道交通結(jié)構(gòu)有顯著不同。我國對懸掛式單軌交通的應(yīng)用尚處于探索階段，相關(guān)研究資料較少，沒有成熟的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可供參考，大多還是模仿國外線路設(shè)計(jì)，并借鑒現(xiàn)有橋梁和跨座式單軌的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對懸掛式單軌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核和分析。本文在參考國內(nèi)現(xiàn)有懸掛式單軌結(jié)構(gòu)軌道梁、墩及車輛參數(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對不同跨度(20 m和 30 m)、墩高(6 m、13 m 和 20 m)、結(jié)構(gòu)形式(簡支梁、連續(xù)梁)的懸掛式單軌結(jié)構(gòu)的動力特性和抗震性能進(jìn)行分析，闡述了懸掛式單軌結(jié)構(gòu)自振特性和地震響應(yīng)規(guī)律，為該種制式的軌道交通系統(tǒng)的工程抗震設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。
1 結(jié)構(gòu)形式及荷載
目前，國內(nèi)外運(yùn)營的懸掛式單軌，其上部軌道梁均采用鋼結(jié)構(gòu)開口薄壁箱梁，列車通過懸吊裝置懸掛于軌道梁下方，墩體通常采用倒 L 型和 Y 型鋼結(jié)構(gòu)支承軌道梁，如圖 1 所示。本文在既有項(xiàng)目中選取典型的懸掛式單軌結(jié)構(gòu)，對其結(jié)構(gòu)動力特性和抗震性能進(jìn)行分析。
懸掛式單軌主體結(jié)構(gòu)采用 Q345qD 鋼材，軌道梁內(nèi)輪廓尺寸為高 1 600 mm，寬 1 800 mm，頂板厚度24 mm，腹板厚度 20 mm，底板厚度 32 mm。墩身截面為長 1 300 mm、寬 1 300 mm，鋼板厚度為24 mm。軌道梁二期恒載取 4 kN/m。單節(jié)車輛轉(zhuǎn)向架中心間距9.5 m，固定車軸間距 1.65 m，設(shè)計(jì)荷載軸重150 kN，車體重心距軌道面距離 1.7 m。采用反應(yīng)譜法分析其地震響應(yīng)規(guī)律，水平地震動加速度峰值取 0.64 g，垂向地震動峰值取水平向地震動峰值的0.65倍，場地特征周期 0.35 s，鋼結(jié)構(gòu)阻尼比 0.03。
2 有限元模型
采用 MIDAS Civil 建立的 3 跨懸掛式單軌結(jié)構(gòu)模型如圖 2 所示，分別考慮縱向、橫向和垂向 3 個方向的地震動輸入。為分析不同墩高、跨度和結(jié)構(gòu)形式對懸掛式單軌結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，結(jié)合運(yùn)營懸掛式單軌項(xiàng)目的實(shí)際情況，分別取墩高為 6 m、13 m 和 20 m，跨度為 20 m和 30 m，單軌結(jié)構(gòu)形式為連續(xù)梁和簡支梁進(jìn)行分析。簡支梁支座布置形式為一端固定和一端鉸接。連續(xù)梁三跨一聯(lián)，固定支座設(shè)置在左側(cè)中間墩上。在檢算軌道梁上有車情況下懸掛式單軌結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)時，分別將列車荷載布置在中間跨軌道梁的跨中和墩頂處。
3 動力特性分析
3.1 自振特性
圖 3 和表 1 給出了懸掛式單軌結(jié)構(gòu)不同梁跨和不同墩高情況下前幾階振型，振型主要為軌道梁橫向彎曲變形、梁墩扭轉(zhuǎn)變形、梁墩橫向彎曲變形和梁墩縱向彎曲變形。圖 3 和表 1 分析結(jié)果如下。
(1)懸掛式單軌結(jié)構(gòu)模態(tài)振型頻率受墩高影響較大，墩高為 6 m、13 m 和 20 m 條件下的第一階主振頻率受跨度和結(jié)構(gòu)形式不同影響，分別在 2.25～3.69 Hz、1.05～2.09 Hz 和 0.59～1.25 Hz 范圍內(nèi)變化;隨著墩高的增加，模態(tài)振型由軌道梁變形為主變化為梁墩變形為主;受主梁跨度影響，30 m 梁的主振頻率約為 20 m 梁的 0.74 倍。
(2)對于簡支梁，其第一階模態(tài)振型以軌道梁橫向彎曲和梁墩橫向彎曲變形為主，隨著墩高的增加，以梁墩變形為主的模態(tài)振型參與系數(shù)增大;對于連續(xù)梁橋，其第一階模態(tài)振型均為固定墩縱向彎曲變形，其主振頻率較簡支梁低。而以軌道梁變形為主的模態(tài)振型受連續(xù)梁剛度增加的影響，其振型頻率也較大。
3.2 抗震性能分析
3.2.1 支座反力
表 2 給出了不同載荷工況下軌道梁的支座反力，由表 2 可見，恒載作用時支座反力的范圍是 205～665 kN，恒載+活載共同作用下最大支座反力的范圍是437～1 197 kN，活載與恒載引起的最大支座反力比值為 0.80～1.13。可以看出，懸掛式單軌系統(tǒng)活載與恒載的比值較大，兩者量級相當(dāng)。因此在抗震設(shè)計(jì)時，應(yīng)特別注意車輛活載對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響;在地震動作用下，簡支梁橋支座反力的范圍為 29～1 159 kN，連續(xù)梁橋支座反力的范圍為 13～1 996 kN;在大震情況下，支座的豎反力較小，最小僅為 13 kN，有出現(xiàn)負(fù)反力的風(fēng)險(xiǎn)，建議針對近斷層地震區(qū)垂向地震動分量較大的地區(qū)設(shè)置垂向限位裝置，防止跳梁。
3.2.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力
表 3～表 5 給出了懸掛式單軌結(jié)構(gòu)不同墩高、不同跨度、不同結(jié)構(gòu)形式和有無車輛時，在縱向、橫向和垂向地震動(反應(yīng)譜)作用下懸掛式單軌結(jié)構(gòu)的最大彎曲應(yīng)力。在計(jì)算地震動作用下的結(jié)構(gòu)總設(shè)計(jì)應(yīng)力時采用SRSS 方法，圖 4 給出了按 SRSS 法計(jì)算得到的 3 個方向地震動組合作用下的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力。考慮到結(jié)構(gòu)應(yīng)力最不利位置均為墩底截面，梁跨中應(yīng)力較小不起控制作用，因此圖表中結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力均為墩底截面應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果分析如下。
(1)對于連續(xù)梁或者大跨度中低墩高的簡支梁，其縱向地震動輸入最為不利;對于小跨度墩高較高的簡支梁橋，其橫向地震動效應(yīng)較大;垂向地震動輸入不起控制作用。
推薦閱讀：《地震工程與工程振動》是由中國地震局主管、中國地震局工程力學(xué)研究所與中國力學(xué)學(xué)會共同主辦的地震工程與工程振動科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)性期刊。
轉(zhuǎn)載請注明來自發(fā)表學(xué)術(shù)論文網(wǎng)：http:///jzlw/19067.html
