내진 저항성이 뛰어난 대만 고속철도 프로젝트를 위한 교량 설계

• 고속철도 교량 구조물에 대한 말뚝-지반 상호작용 해석

• 자동화된 교량 모델 구축

• 다중 모드 스펙트럼 응답 해석

Faber Maunsell, 내진 설계 분야의 선두 컨설팅 회사는 LUSAS Bridge를 사용하여 대만 고속철도 프로젝트 계약 C270의 내진 저항성 교량 구조물 및 기차역 가이드웨이 설계를 지원했습니다. 응답 스펙트럼 해석을 통해 기둥 내의 하중을 결정했습니다. 선로-구조물 상호작용 해석을 통해 지진 하중 하에서 선로 내의 상대 이동 및 응력을 유도했습니다. 비선형 지반 구조물 해석을 통해 말뚝과 기초의 응력을 결정했습니다. 제안된 프리스트레스를 위한 종단 블록의 고체 요소 모델링 및 프리캐스트 슈퍼구조물의 쉘 요소 모델링을 통해 국소적인 굽힘 모멘트를 산출했습니다. 최종 결과는 까다로운 프로젝트 일정 내에서 경제적인 설계였습니다.

개요

345km 길이의 고속철도 노선은 북부 타이페이 시에서 남부 카오슝 시까지 이어집니다. 이는 기차가 시속 300km로 주행할 수 있도록 합니다. 여러 설계 계약으로 나뉘어 있는 계약 C270은 창화, 윈린 및 치아이 카운티의 38km의 표준 교량 및 윈린 역의 가이드웨이 설계를 요구합니다.

계약 C270의 교량은 최대 28m 높이로, 35m 길이의 프리캐스트 프리스트레스트 콘크리트 박스 거더로 구성되어 있으며, 단일 기둥 위에 단순 지지되고 있습니다. 각 코너에 슬라이딩 기계적 포트 베어링이 있으며, 스팬의 양끝에서 전단 키가 횡 방향 제약을 제공하고 한쪽 끝이 종 방향으로 고정되어 있습니다. 2m 지름의 보링 말뚝 기초가 최대 60m 깊이로 교량을 지지합니다. 역의 가이드웨이는 유사한 구조이나 쌍박스 거더와 RC 포털 프레임 지지를 특징으로 합니다.

해석 요구사항

교량은 세 가지 주요 요구 사항을 충족해야 했습니다: 정상 운영 조건에서 의뢰자가 설정한 엄격한 승차 성능 기준을 충족하고, 중요한 지진 사건 동안 변위를 지정된 값으로 제한하여 기차가 안전하게 정지할 수 있도록 하고, 최대 설계 지진으로 인해 비교적 가벼운 손상만 발생해야 했습니다. 이러한 요구 사항을 달성하기 위해 지역 및 전 세계 LUSAS 모델을 사용하여 네 가지 별도의 해석이 필요했습니다.

38km 길이의 교량을 해석하기 위해 70개의 독립 모델을 생성해야 했습니다. Faber Maunsell는 분석을 효율적으로 수행하기 위해 가능한 모든 곳에서 자동화를 도입했습니다. 기둥 크기, 스팬 길이 등의 기하학적 자료를 Excel 데이터베이스에서 읽어 3D 빔 모델을 LUSAS에서 자동으로 구축하는 비주얼 베이직 스크립트를 작성했습니다. 이는 새로운 모델 생성 비용을 줄이고 모델이 항상 “기계적으로 완벽”하다는 신뢰를 제공했습니다. 이러한 모델에서는 조인트 요소를 사용하여 집중 질량, 기초 강성, 베어링 및 전단 키를 나타냈습니다.

전 세계 내진 해석

각 모델에 대해 가속도 응답-스펙트럼 해석이 수행되었으며 최대 200개의 모드의 효과가 CQC 방법을 사용하여 결합되었습니다. 해석은 세 방향에서 각각 수행된 후 프로젝트 요구 사항에 따라 결합되었습니다. 이러한 해석에서 인접 기둥의 강성은 특히 기차역 가이드웨이 및 비표준 스팬에서 상당히 다를 수 있었습니다. 다중 모드 스펙트럼 응답 해석은 기둥 강성의 변화를 허용하여 지진 요구 사항을 결정했으며, 이는 단일 모드 등가 정적 계산으로는 불가능했습니다. 이러한 전 세계 해석을 통해 기둥 설계 하중이 도출되고 보강 설계에 사용되었습니다.

선로-구조물 상호작용 해석(TSI)

자동 생성된 각 모델에 대해 설계 응답 스펙트럼-동등한 지진 기록이 세 방향에서 동시에 기둥 기초에 적용되었습니다. 이는 로드 곡선으로 제어된 지정된 가속도를 사용하여 이루어졌습니다. 기둥은 구조의 주기를 늘려 지진 요구 사항을 줄이기 위해 가능한 한 슬림하고 유연하게 설계되었습니다. 그러나 이와 반대로, 대만의 빈번한 지진 동안 기차의 안전한 운영이 보장되도록 하여 필요 시 기차를 안전하게 정지할 수 있는 충분한 강성을 가진 하부 구조를 보여주어야 했습니다. TSI 해석은 연속 용접 선로가 제공하는 제약을 허용할 수 있었기 때문에 인접 슈퍼 구조물 간의 상대 이동을 손해 해석보다 덜 보수적으로 예측했습니다. LUSAS 해석은 지진 하중 하에서 선로의 응력을 직접 계산할 수 있었습니다. TSI 해석을 통해 인접 거더의 상대 변위 히스토리 및 선로의 응력 히스토리를 얻었습니다. 모든 시간 단계의 결과를 포괄하여 최대 설계 값을 얻었습니다.

슈퍼구조물 해석

슈퍼구조물 해석을 위해서는 종단 다이어프램의 변형 및 프리캐스트 박스 거더의 고정형 존 내의 평형 효과로 인한 응력을 결정하기 위해 고체 모델링이 필요했습니다. 이를 위해 프리스트레스, 베어링 하중 및 지진 버퍼 힘에 해당하는 패치 하중이 모델에 적용되었습니다. 생성된 응력은 각 섹션의 힘 및 모멘트를 얻기 위해 적분되어 결과는 종단 블록의 보강 설계에 사용되었습니다.

• 클라이언트: 대만 고속철도 공사.

• 계약 C270의 계약자: 빌핑거 + 베르거 및 대륙 엔지니어링 공사 조인트 벤처