高墩大跨連續(xù)剛構橋地震反應的行波效應研究

潘 強,方詩圣,程曉東

(1.合肥工業(yè)大學 土木與水利學院,合肥 230009;2.安徽省高速公路試驗檢測科研中心,合肥 230601)

高墩大跨連續(xù)剛構橋地震反應的行波效應研究

潘 強1,方詩圣1,程曉東2

(1.合肥工業(yè)大學 土木與水利學院,合肥 230009;2.安徽省高速公路試驗檢測科研中心,合肥 230601)

運用大型結構分析程序Midas/civil在地震波作用下,對某一實際高墩大跨連續(xù)剛構橋的地震反應的行波效應進行了時程分析的數(shù)值模擬,分析了高墩大跨連續(xù)橋在順橋向地震波作用下不同的相位差的行波效應,以及行波效應對橋梁高低墩墩差產生的影響.結果表明:行波效應對高墩大跨連續(xù)橋的影響很大,橋梁高低墩墩差越大行波效應越明顯,高墩大跨連續(xù)橋在抗震設計時應考慮行波效應.

高墩大跨連續(xù)橋梁;有限元法;動態(tài)時程分析;行波效應;地震反應

近年來,在我國西部高烈度地震區(qū)出現(xiàn)了很多高墩大跨結構橋梁,高墩大跨連續(xù)梁橋抗震設計是結構設計的重要部分,分析其地震反應是該類橋梁設計中重要的環(huán)節(jié).許多大跨剛構橋跨徑都在100 m以上,而典型的地震波波長為百余米至數(shù)百米.此時,就必須考慮不同地面節(jié)點之間的運動相位差,即行波效應問題.在實際工程的結構地震反應分析中,地震輸入方法常用的是一致激勵法,只考慮它們隨時間的變化.這種假定僅對于小跨度橋梁來說適用[1,2].綜合高墩大跨結構橋梁抗震研究甚少,大跨結構橋梁地震反應的研究比較普遍,例如,黃小國等[3]利用大型結構分析程序 ANSYS/TRANSIENT,對地震波三向正交分量獨立作用和聯(lián)合作用下大跨連續(xù)剛構橋的地震反應的行波效應進行了時程分析的數(shù)值模擬,分析了大跨連續(xù)剛構橋在各向振動分量的作用,以及各向振動不同相位差的行波效應;李衷獻等[4]基于行波激勵下大跨度橋梁地震反應分析的方法,對某一大跨度的四跨預應力混凝土連續(xù)剛構橋進行了行波激勵下地震反應的數(shù)值模擬.張亞輝等[5]分析了地震波視波速對體系極值響應的影響,并討論了動態(tài)相對位移和擬靜位移分量對體系極值響應的貢獻.本文基于以上理論基礎,分析了高墩大跨連續(xù)剛構橋地震反應的行波效應特性以及行波效應對橋梁高低墩墩差的影響.

1 計算方法

動態(tài)時程分析的振動方程為:

經(jīng)過一系列公式轉換得出:

式(3)就是考慮多點激勵和行波效應的橋梁結構的運動方程,[R]稱為考慮行波和多點激勵的地震動影響矩陣.當把影響矩陣[R]換為單位矩[I]的時候,式(3)就是不考慮多點激勵和行波效應的橋梁結構的運動方程[6].

2 工程概況

某大橋位于大別山地帶,大橋長480.37 m,設計為4墩兩臺共5跨變截面預應力混凝土連續(xù)剛構橋(56+114+140+114+50=474 m),2號、3號墩為雙柱矩形薄壁空心墩,高度為82 m和78 m,屬于高墩施工,1號、4號墩為單柱矩形薄壁空心墩高40 m,橋梁位于半徑R=3200 m的圓曲線和直線段上.箱梁梁體均采用C50混凝土.箱梁截面設計為單箱單室,2號、3號主墩根部梁高8 m,1號、4號根部梁高為6 m,跨中和邊跨現(xiàn)澆段梁高為3.0 m,箱梁頂板寬11.8 m,底板寬 6.5 m,翼緣板懸臂長2.65 m;箱梁底下緣按1.8次拋物線線形變化.箱梁橫橋向頂板設2%的橫坡,底板水平;該橋縱坡為2.2%.

3 全橋有限元模型以及地震動的輸入

本橋連續(xù)剛構的計算模型按平面剛架體系計算,采用有限元分析方法.在計算模型中,主橋連續(xù)剛構共分為228個單元,其中預應力箱梁分為143個單元,全橋有限元模型如圖1所示.

圖1 高墩連續(xù)梁橋有限元模型

本文中的時程分析采用過去典型的強震記錄地震波.本文中的時程分析根據(jù)橋址處具體的場地條件,在己有的強震記錄中選擇了一條與橋址場地條件相符的地震波,即EI-Centro地震波,如圖2,我們這里選擇1940年EI-Centro Site南北方向地面加速度時程,其峰值加速度為341.7 cm/s2,持續(xù)時間53.72 s,我們選擇的地震波需要滿足:加速度時程曲線最大值為35 cm/s2,持續(xù)時間必須大于20 s,這時我們需要對該地震波的峰值進行調整,如下:

圖2 EI-Centro地震波

4 基本特性動力分析

分析和認識大跨度高墩梁橋的動力特性是進行地震反應分析和抗震設計的基礎[7,8].該橋前10階振型見表1.

表1 前10階結構自振特性

5 計算與分析

5.1 行波效應在高墩大跨梁橋的影響

本文假設地震波自左向右順橋向傳播,從最左端1號墩依次向右傳播至2號墩、3號墩、4號墩,計算地震波傳播速度分別為200 m/s,400 m/s,600 m/s,1200 m/s,本文取橋主跨跨中斷面進行內力時程分析,其時程分析曲線比較如圖3所示.

行波效應作用下的內力反應曲線與一致激勵下的內力反應曲線對比存在明顯的滯后現(xiàn)象.從上圖中我們可以看出,波速在200 m/s時候,波速比較緩慢,滯后現(xiàn)象很明顯.隨著波速的加快,這種滯后現(xiàn)象明顯好轉,波速Va較大時,行波效應內力反應的波形與一致激勵內力反應的波形比較相似,最終,當波速達到1200 m/s時候,行波效應內力反應的波形與一致激勵內力反應的波形基本重合.

5.2 高低墩高差對高墩大跨連續(xù)剛構橋地震反應的影響

本文以高墩大跨連續(xù)梁模型一為藍本建立,其他條件不變,只是將3號、4號墩墩高改變,以橋主跨跨中截面內力為分析對象,分析兩種模型一致激勵與行波效應對橋梁的影響,如表2所示.

圖3 不同視波速下主跨跨中My時程曲線

表2 兩種模型墩高與墩差

為分析兩種模型在行波效應后的影響,在同一波速中,我們用表示主跨跨中截面在任一時刻一致激勵與行波效應△H的內力差,則內力差數(shù)據(jù)分析曲線如圖4所示.

圖4 不同視波速下主跨跨中My的⊿H曲線

當波速越小,高底墩墩差越大,一致激勵與行波效應的滯后現(xiàn)象很明顯,隨著波速越來越大,滯后現(xiàn)象好轉,綜合來講,對于高低墩墩差越大,一致激勵與行波效應的滯后現(xiàn)象越明顯.

6 結 語

(1)行波效應對于高墩大跨連續(xù)剛構橋的影響很大,從以上模型分析得出,隨著視波速的不同,截面的內力變化是不同的;

(2)波速越小,行波效應與一致激勵分析的結果差別很大,滯后現(xiàn)象很明顯,但隨著波速的增大,滯后現(xiàn)象將明顯好轉;

(3)同一截面相同的視波速,行波效應對于高低墩墩差不同也會有很大的影響,波速越小,高底墩墩差越大,行波效應與一致激勵滯后現(xiàn)象越明顯,隨著波速的增大,這種影響好轉.所以對于高墩大跨橋梁的抗震分析時候,行波效應的影響是非常重要的.

[1]何 波,朱宏平,史雅楠.大跨徑連續(xù)剛構橋抗震性能評價[J].公路,2007,(11):1-6.

[2]劉洪兵.大跨橋梁考慮地形及多點激勵的地震響應分析[J].同濟大學學報,2003,31(6):641-646.

[3]黃小國,胡大琳,張后舉.行波效應對大跨度連續(xù)剛構橋地震反應的影響[J].長安大學學報(自然科學版),2008,(1):72-76.

[4]李忠獻,史志利.行波激勵下大跨度連續(xù)剛構橋的地震反應分析[J].地震工程與工程振動,2003,(2):68-76.

[5]張亞輝,李麗媛,陳 艷,等.大跨度結構地震行波效應研究[J].大連理工大學學報,2005,(4):480-486.

[6]范立礎.橋梁抗震[M].上海:同濟大學出版社,1997.

[7]蘇 成,陳海斌.多點激勵下大跨度橋梁的地震反應[J].華南理工大學學報(自然科學版),2008,(11):101-107.

[8]王 波,張海龍,徐 豐.薄壁高墩大跨連續(xù)剛構橋地震時程反應參數(shù)研究[J].公路工程,2007,(4):28-32.

The Traveling Wave Effect of Seismic Response of High-pier-span Continuous Rigid Frame Bridge

PAN Qiang1,FANG Shi-sheng1,CHENG Xiao-dong2
(1.School of Civil Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;2.Test and Research Centre for Highway of Anhui Province,Hefei 230601,China)

By using large-scale structural analysis program Midas/civil,under the action of seismic waves,time-history analysis of the numerical simulation is imposed on the travelling wave effect of seismic response of a real high-pier-span continuous rigid frame bridge.Analysis is about the travelling wave effect of different phase of high-span continuous bridge pier under the action of the seismic waves parallel with the bridge,as well as different impact of the travelling-wave effect on the height difference of bridge piers.The results show that the influence of travelling wave effect on the high-span continuous bridge pier is great.The greater the height difference pier of the bridge,the more obvious effect of the larger waveis.travelling wave effect should be taken into consideration in the seismic design of high-span continuous bridge piers.

high-pier-span continuous girder bridge;finite element method;dynamic time history analysis;travelling wave effect;seismic response

U442.5

A

1671-119X(2010)02-0082-04

2009-11-14

潘 強(1983-),男,碩士研究生,研究方向:城市道路與橋梁.