地震作用下懸掛式單軌結構動力特性研究

所屬分類：建筑論文閱讀次時間：2019-04-19 10:51

本文摘要：摘要：懸掛式單軌結構軌道梁為開口鋼箱梁，具有結構剛度

　　摘要：懸掛式單軌結構軌道梁為開口鋼箱梁，具有結構剛度小、活載與恒載比值大、寬跨比小和結構阻尼比小等特點。文章利用 MIDAS Civil 分析懸掛式單軌結構不同跨度、墩高及形式(連續梁和簡支梁)的振動特性和地震響應規律。研究結果表明，其結構主要振型以軌道梁橫向彎曲變形、梁墩扭轉和彎曲變形為主，墩高、跨度、結構形式以及行車對結構抗震性能影響較大;采用 20 m 跨度、矮墩、簡支形式的設計方案有利于結構體系的抗震性能;目前運營的懸掛式單軌結構能夠滿足城市軌道交通抗震設防要求。

　　關鍵詞：懸掛式單軌;結構振動;地震響應

地震結構論文

　　0 引言

　　懸掛式單軌結構具有單位長度質量、恒載活載比、結構阻尼比、橫向剛度及抗扭剛度均較小等特點，其抗震性能與其他制式的軌道交通結構有顯著不同。我國對懸掛式單軌交通的應用尚處于探索階段，相關研究資料較少，沒有成熟的技術標準可供參考，大多還是模仿國外線路設計，并借鑒現有橋梁和跨座式單軌的設計標準，對懸掛式單軌結構的穩定性、結構強度和剛度進行校核和分析。本文在參考國內現有懸掛式單軌結構軌道梁、墩及車輛參數設計的基礎上，對不同跨度(20 m和 30 m)、墩高(6 m、13 m 和 20 m)、結構形式(簡支梁、連續梁)的懸掛式單軌結構的動力特性和抗震性能進行分析，闡述了懸掛式單軌結構自振特性和地震響應規律，為該種制式的軌道交通系統的工程抗震設計提供參考依據。

　　1 結構形式及荷載

　　目前，國內外運營的懸掛式單軌，其上部軌道梁均采用鋼結構開口薄壁箱梁，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 型鋼結構支承軌道梁，如圖 1 所示。本文在既有項目中選取典型的懸掛式單軌結構，對其結構動力特性和抗震性能進行分析。

　　懸掛式單軌主體結構采用 Q345qD 鋼材，軌道梁內輪廓尺寸為高 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。單節車輛轉向架中心間距9.5 m，固定車軸間距 1.65 m，設計荷載軸重150 kN，車體重心距軌道面距離 1.7 m。采用反應譜法分析其地震響應規律，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，鋼結構阻尼比 0.03。

　　2 有限元模型

　　采用 MIDAS Civil 建立的 3 跨懸掛式單軌結構模型如圖 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、跨度和結構形式對懸掛式單軌結構抗震性能的影響，結合運營懸掛式單軌項目的實際情況，分別取墩高為 6 m、13 m 和 20 m，跨度為 20 m和 30 m，單軌結構形式為連續梁和簡支梁進行分析。簡支梁支座布置形式為一端固定和一端鉸接。連續梁三跨一聯，固定支座設置在左側中間墩上。在檢算軌道梁上有車情況下懸掛式單軌結構的地震響應時，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構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 分析結果如下。

　　(1)懸掛式單軌結構模態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構形式不同影響，分別在 2.25～3.69 Hz、1.05～2.09 Hz 和 0.59～1.25 Hz 范圍內變化;隨著墩高的增加，模態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振型參與系數增大;對于連續梁橋，其第一階模態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振型受連續梁剛度增加的影響，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，懸掛式單軌系統活載與恒載的比值較大，兩者量級相當。因此在抗震設計時，應特別注意車輛活載對結構地震響應的影響;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，有出現負反力的風險，建議針對近斷層地震區垂向地震動分量較大的地區設置垂向限位裝置，防止跳梁。

　　3.2.2 結構應力

　　表 3～表 5 給出了懸掛式單軌結構不同墩高、不同跨度、不同結構形式和有無車輛時，在縱向、橫向和垂向地震動(反應譜)作用下懸掛式單軌結構的最大彎曲應力。在計算地震動作用下的結構總設計應力時采用SRSS 方法，圖 4 給出了按 SRSS 法計算得到的 3 個方向地震動組合作用下的結構最大應力。考慮到結構應力最不利位置均為墩底截面，梁跨中應力較小不起控制作用，因此圖表中結構最大應力均為墩底截面應力。計算結果分析如下。

　　(1)對于連續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研究所與中國力學學會共同主辦的地震工程與工程振動科學領域的學術性期刊。