台湾高速铁路高架桥抗震设计

  • 桩柱和土壤交互作用模型

  • 自动化的高架桥建模

  • 多模态的反应谱分析

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著名的抗震设计咨询公司FaberMaunsell使用LUSAS,对台湾高铁C270合同段的高架桥和车站通道结构进行了抗震设计。通过谱响应分析确定了立柱中的内力。通过列车与结构相互作用分析,求得了得知荷载下铁轨中的应力和相对移动。通过非线性桩土共同作用分析,得到了桩和桩间土体中的应力值。用实体单元模拟后张结构的锚固区,用壳单元模拟预制的上部结构,通过分析求得了局部弯矩。最终得到了一个经济设计。


概述

从台湾北部的台北到南部的高雄间的高速铁路线345公路长,列车运行速度最高可达300公路/小时。该高速铁路共分成若干个合同段,C270合同段需要设计38公路长的穿越Changhua、Yunlin和Chiayi县的高架桥,以及一个车站通道。


C270合同段的高架桥高28m,由35m长的后张预制混凝土箱梁构成,这些箱梁由单柱简支。在桥面板的四个角度设有可自由滑动的盆式支座,在每跨的一端设有剪力键、另一端固定纵向位移,以限制结构的横向位移。高架桥由60m长的钻孔桩支撑。车站通道结构与之相类似,不同之处在于上部结构为双箱梁结构,且采用门式框架支撑。

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分析要求

该高架桥要满足三个关键要求:客户要求在正常运营条件下,要求满足相当的行车舒适准则;重大地震条件条件下,结构仍处于弹性范围,且移动值在特定范围内,以确保列车可安全停放;在最大设计地震下,能承受设计荷载,仅允许出现可修复的损坏。为了满足上述要求,用LUSAS整体和局部分析模型,进行了四种不同类型的分析,以证明设计的合理性。


为了分析整个38km长的高架桥,要求建立70个独立的模型。Fabermaunsell运用自动功能大大提高了分析的效率。用VB脚本编写一模块以从数据库中读取高架桥的几何数据,如柱的尺寸、跨径等,并在LUSAS中建立三维梁单元,自动进行地震和车桥耦合作用的整体分析。这节省了建立新模型所花费的时间,并可确保每次建模中的“机器正确”。在这些模型中,用节点单元老描述集中质量、基础刚度、支座和剪力键等。


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整体抗震分析

对于每个模型,都进行了加速度响应谱分析,且通过CQC方法考虑多达200阶模态的效应。先按三个坐标方向分别进行分析,再根据项目要求进行组合。在这些分析中,相邻桩的刚度可能会变化较大,特别是在车站通道和非标准跨。采用多模态响应谱分析能适应桩基刚度不同的要求,这在单模态等效静力计算中是不可能达到的。从这些整体分析中,求得了柱的设计内力,用于完善设计。

基础分析

用三维梁单元和壳体单元进行了桩和桩帽分析,使用Winkler弹簧单元描述桩土间的非线性作用,用路径荷载描述柱中塑性铰引起的荷载。


由于靠近断层带,该合同段的设计大地加速度会超过0.6g。LUSAS分析中允许在考虑土体非线性行为的条件下确定桩和桩帽中的应力值。该模型还可用于确定基础的平移和旋转刚度,这些数值对用反应谱分析确定地震荷载效应有很大影响。


先用基础分析模型求得了桩的设计内力和弯矩,再在桩帽的关键部位进行截取截面,求得了用于加强设计的Clarke Neilsen力。

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轨道和结构相互作用分析 (TSI)

在每个自动创建的模型,在三个方向同时对柱底部施加了设计响应谱等效地震记录,加速度则是根据荷载曲线确定的。原则要使柱尽可能的纤细和柔软,以延长结构周期和减小地震对结构的影响,而车辆运营要求与此相反,要求下部结构具有足够的刚度,以确保台湾频震期间铁路的运营安全,以及重大地震事件发生时车辆能安全停放。TSI分析结果表明:相邻下部结构间的相对运动的人工计算结果偏保守,这主要是由于TSI分析中可考虑连续铁轨对结构的约束作用。LUSAS分析还可直接分析地震荷载作用下的铁轨应力。通过TSI分析,还得到了相邻主梁间的相对位移和应力历史曲线。通过对各时间步的结果进行包络,就能得到最大设计值。


上部结构分析

对于上部结构分析,要计算端横梁的扭转和预制相邻锚固区的自平衡作用产生的应力,要求建立实体单元模型,用路径荷载描述预应力、支座减震器作用力等。通过对应力进行积分求得每个截面上的内力和弯矩,随即将该结果用于加强设计。


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FaberMaunsell的项目设计经理 Kandiah Kuhendran说:“LUSAS Bridge的多功能性和我们组技术专家的结合,在台湾高铁设计及施工的严格抗震性能准则的要求下,提供了一经济的设计."

Kandiah Kuhendran, Project Design Manager, FaberMaunsell

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