地震作用下悬挂式单轨结构动力特性研究

所属分类：建筑论文阅读次时间：2019-04-19 10:51

本文摘要：摘要：悬挂式单轨结构轨道梁为开口钢箱梁，具有结构刚度

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　　摘要：悬挂式单轨结构轨道梁为开口钢箱梁，具有结构刚度小、活载与恒载比值大、宽跨比小和结构阻尼比小等特点。文章利用 MIDAS Civil 分析悬挂式单轨结构不同跨度、墩高及形式(连续梁和简支梁)的振动特性和地震响应规律。研究结果表明，其结构主要振型以轨道梁横向弯曲变形、梁墩扭转和弯曲变形为主，墩高、跨度、结构形式以及行车对结构抗震性能影响较大;采用 20 m 跨度、矮墩、简支形式的设计方案有利于结构体系的抗震性能;目前运营的悬挂式单轨结构能够满足城市轨道交通抗震设防要求。

　　关键词：悬挂式单轨;结构振动;地震响应

地震结构论文

　　0 引言

　　悬挂式单轨结构具有单位长度质量、恒载活载比、结构阻尼比、横向刚度及抗扭刚度均较小等特点，其抗震性能与其他制式的轨道交通结构有显著不同。我国对悬挂式单轨交通的应用尚处于探索阶段，相关研究资料较少，没有成熟的技术标准可供参考，大多还是模仿国外线路设计，并借鉴现有桥梁和跨座式单轨的设计标准，对悬挂式单轨结构的稳定性、结构强度和刚度进行校核和分析。本文在参考国内现有悬挂式单轨结构轨道梁、墩及车辆参数设计的基础上，对不同跨度(20 m和 30 m)、墩高(6 m、13 m 和 20 m)、结构形式(简支梁、连续梁)的悬挂式单轨结构的动力特性和抗震性能进行分析，阐述了悬挂式单轨结构自振特性和地震响应规律，为该种制式的轨道交通系统的工程抗震设计提供参考依据。

　　1 结构形式及荷载

　　目前，国内外运营的悬挂式单轨，其上部轨道梁均采用钢结构开口薄壁箱梁，列车通过悬吊装置悬挂于轨道梁下方，墩体通常采用倒 L 型和 Y 型钢结构支承轨道梁，如图 1 所示。本文在既有项目中选取典型的悬挂式单轨结构，对其结构动力特性和抗震性能进行分析。

　　悬挂式单轨主体结构采用 Q345qD 钢材，轨道梁内轮廓尺寸为高 1 600 mm，宽 1 800 mm，顶板厚度24 mm，腹板厚度 20 mm，底板厚度 32 mm。墩身截面为长 1 300 mm、宽 1 300 mm，钢板厚度为24 mm。轨道梁二期恒载取 4 kN/m。单节车辆转向架中心间距9.5 m，固定车轴间距 1.65 m，设计荷载轴重150 kN，车体重心距轨道面距离 1.7 m。采用反应谱法分析其地震响应规律，水平地震动加速度峰值取 0.64 g，垂向地震动峰值取水平向地震动峰值的0.65倍，场地特征周期 0.35 s，钢结构阻尼比 0.03。

　　2 有限元模型

　　采用 MIDAS Civil 建立的 3 跨悬挂式单轨结构模型如图 2 所示，分别考虑纵向、横向和垂向 3 个方向的地震动输入。为分析不同墩高、跨度和结构形式对悬挂式单轨结构抗震性能的影响，结合运营悬挂式单轨项目的实际情况，分别取墩高为 6 m、13 m 和 20 m，跨度为 20 m和 30 m，单轨结构形式为连续梁和简支梁进行分析。简支梁支座布置形式为一端固定和一端铰接。连续梁三跨一联，固定支座设置在左侧中间墩上。在检算轨道梁上有车情况下悬挂式单轨结构的地震响应时，分别将列车荷载布置在中间跨轨道梁的跨中和墩顶处。

　　3 动力特性分析

　　3.1 自振特性

　　图 3 和表 1 给出了悬挂式单轨结构不同梁跨和不同墩高情况下前几阶振型，振型主要为轨道梁横向弯曲变形、梁墩扭转变形、梁墩横向弯曲变形和梁墩纵向弯曲变形。图 3 和表 1 分析结果如下。

　　(1)悬挂式单轨结构模态振型频率受墩高影响较大，墩高为 6 m、13 m 和 20 m 条件下的第一阶主振频率受跨度和结构形式不同影响，分别在 2.25～3.69 Hz、1.05～2.09 Hz 和 0.59～1.25 Hz 范圍内变化;随着墩高的增加，模态振型由轨道梁变形为主变化为梁墩变形为主;受主梁跨度影响，30 m 梁的主振频率约为 20 m 梁的 0.74 倍。

　　(2)对于简支梁，其第一阶模态振型以轨道梁横向弯曲和梁墩横向弯曲变形为主，随着墩高的增加，以梁墩变形为主的模态振型参与系数增大;对于连续梁桥，其第一阶模态振型均为固定墩纵向弯曲变形，其主振频率较简支梁低。而以轨道梁变形为主的模态振型受连续梁刚度增加的影响，其振型频率也较大。

　　3.2 抗震性能分析

　　3.2.1 支座反力

　　表 2 给出了不同载荷工况下轨道梁的支座反力，由表 2 可见，恒载作用时支座反力的范围是 205～665 kN，恒载+活载共同作用下最大支座反力的范围是437～1 197 kN，活载与恒载引起的最大支座反力比值为 0.80～1.13。可以看出，悬挂式单轨系统活载与恒载的比值较大，两者量级相当。因此在抗震设计时，应特别注意车辆活载对结构地震响应的影响;在地震动作用下，简支梁桥支座反力的范围为 29～1 159 kN，连续梁桥支座反力的范围为 13～1 996 kN;在大震情况下，支座的竖反力较小，最小仅为 13 kN，有出现负反力的风险，建议针对近断层地震区垂向地震动分量较大的地区设置垂向限位装置，防止跳梁。

　　3.2.2 结构应力

　　表 3～表 5 给出了悬挂式单轨结构不同墩高、不同跨度、不同结构形式和有无车辆时，在纵向、横向和垂向地震动(反应谱)作用下悬挂式单轨结构的最大弯曲应力。在计算地震动作用下的结构总设计应力时采用SRSS 方法，图 4 给出了按 SRSS 法计算得到的 3 个方向地震动组合作用下的结构最大应力。考虑到结构应力最不利位置均为墩底截面，梁跨中应力较小不起控制作用，因此图表中结构最大应力均为墩底截面应力。计算结果分析如下。

　　(1)对于连续梁或者大跨度中低墩高的简支梁，其纵向地震动输入最为不利;对于小跨度墩高较高的简支梁桥，其横向地震动效应较大;垂向地震动输入不起控制作用。

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