基于ANSYS的連續(xù)剛構(gòu)橋地震響應(yīng)分析

羅 強(qiáng)

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

連續(xù)剛構(gòu)橋是在T型剛構(gòu)橋和連續(xù)梁橋的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來(lái)的一種具有跨越能力大、無(wú)大型支座及行車較為舒適的橋梁結(jié)構(gòu)形式。該種橋型由于其自身特點(diǎn)，常用于激流、大河以及深谷地段。但目前由于地震頻發(fā)，且破壞力強(qiáng)大，造成嚴(yán)重的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失，尤其是地震對(duì)大型橋梁帶來(lái)的損害，其危害程度具有不可預(yù)估性。如何從設(shè)計(jì)、施工角度有效提高橋梁的質(zhì)量水平以及抗震能力，同時(shí)確保橋梁在使用過(guò)程中結(jié)構(gòu)安全性及穩(wěn)定性，從而保證橋梁受力合理以及外觀美觀，是大型橋梁建設(shè)發(fā)展的關(guān)鍵，也是橋梁工作者研究的重點(diǎn)。本研究為了較好地分析連續(xù)剛構(gòu)橋在地震作用條件下，整橋內(nèi)力及位移等響應(yīng)變化情況，通過(guò)采用ANSYS有限元命令流將不同向地震波輸入模型中進(jìn)行響應(yīng)分析，以此分析地震條件下連續(xù)剛構(gòu)橋的力學(xué)響應(yīng)，為連續(xù)剛構(gòu)橋施工、設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

本文以某三跨連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔?，首先采用ANSYS有限元軟件建立橋梁三維實(shí)體計(jì)算模型，其次分析該連續(xù)剛構(gòu)橋在橫橋向、豎橋向、縱橋向3種震動(dòng)狀態(tài)條件下，其主跨跨中、墩梁固結(jié)處的位移以及加速度以及內(nèi)力響應(yīng)，為連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)及施工過(guò)程中質(zhì)量控制提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 ANSYS有限元建模

1.1 分析基礎(chǔ)

ANSYS有限元分析軟件目前較大程度應(yīng)用于土建構(gòu)造物受力分析及計(jì)算上，其分析過(guò)程一般包括：實(shí)體建模與網(wǎng)格劃分、外界荷載作用、結(jié)果分析與輸出[1]。采用ANSYS有限元分析軟件解決工程實(shí)際問(wèn)題的步驟一般如下：

a）采用前處理模塊PREP7定義參數(shù)與建立有限元三維模型。

b）利用求解模塊SOLUTION對(duì)所建的有限元模型進(jìn)行力學(xué)分析與有限元分析。

c）通過(guò)后處理器模塊POST1與POST26觀測(cè)并分析計(jì)算結(jié)果。

1.2 模型參數(shù)

研究以某三跨連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔?，該橋上部結(jié)構(gòu)形式為單箱單室截面，截面呈現(xiàn)拋物線形變化分布，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 連續(xù)剛構(gòu)橋基本參數(shù)

基于表1中的連續(xù)剛構(gòu)橋基本參數(shù)，采用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行模型建立，該模型單元節(jié)點(diǎn)劃分及材料賦值基本參數(shù)如表2所示。

表2 ANSYS計(jì)算模型單元格劃分及材料參數(shù)

所建ANSYS有限元連續(xù)剛構(gòu)橋模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算分析模型

2 地震條件模擬及分析方法

2.1 時(shí)程分析方法

目前對(duì)建筑結(jié)構(gòu)物在地震條件下的抗震分析一般有3種方法：時(shí)程分析法、功率譜法以及反應(yīng)譜法[2]。而由于橋梁為體系復(fù)雜的非線性結(jié)構(gòu)物，采用動(dòng)態(tài)時(shí)程分析方法對(duì)其進(jìn)行地震響應(yīng)分析較為合理[3]。時(shí)程分析法是一種對(duì)計(jì)算的結(jié)構(gòu)振動(dòng)方程直接進(jìn)行積分的動(dòng)力方法，該方法是隨著地震記錄的增加及計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用而逐步發(fā)展起來(lái)的。在分析過(guò)程中，直接將地震振動(dòng)記錄數(shù)據(jù)作用在結(jié)構(gòu)物上，一般采用多自由度、多節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)有限元建立震動(dòng)響應(yīng)。本研究采用時(shí)程分析法對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行抗震分析。分析過(guò)程分為以下4部：

a）把振動(dòng)時(shí)程按等間距或不等間距分為一系列的微小時(shí)間段Δt。

b）假設(shè)在微小時(shí)間段內(nèi)，加速度、速度及位移按照一定的變化規(guī)律變化。

c）按照變化規(guī)律求解在微小時(shí)間段Δt+t時(shí)刻時(shí)，結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)響應(yīng)。

d）按照以上步驟對(duì)該系列微小時(shí)間間隔進(jìn)行逐步積分，最終完成整個(gè)時(shí)程分析。

2.2 地震波輸入

地震波作為一種外界輸入荷載，是直接導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)破壞的根本原因，因此在橋梁施工、設(shè)計(jì)及分析過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)選用較為真實(shí)的地震來(lái)研究橋梁的抗震性能以及在地震條件下做出的力學(xué)響應(yīng)。目前對(duì)重大結(jié)構(gòu)以及重要的工程結(jié)構(gòu)而言，依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范所給出的地震峰值加速度以及反應(yīng)譜進(jìn)行設(shè)計(jì)是不能夠較為真實(shí)模擬及分析地震條件下結(jié)構(gòu)物的抗震性能。因此必須采用符合實(shí)際的地震波觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬、分析地震波對(duì)結(jié)構(gòu)物所產(chǎn)生的響應(yīng)十分必要。為較為準(zhǔn)確分析連續(xù)剛構(gòu)橋在地震條件下的響應(yīng)，本研究采用較為典型的El Centro地震波[4-5]作為分析地震波，不同向地震波輸入如圖2、圖3、圖4。

圖2 X方向加速度時(shí)程圖

圖3 Y方向加速度時(shí)程圖

圖4 Z方向加速度時(shí)程圖

3 響應(yīng)結(jié)果及分析

采用ANSYS有限元命令流將不同向地震波輸入所建模型中進(jìn)行響應(yīng)分析，研究對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行地震條件下位移、加速度及內(nèi)力響應(yīng)，結(jié)果如圖5、圖6、圖7。

圖5 地震波沿三向輸入的最大位移響應(yīng)

圖6 地震波沿三向輸入的最大加速度響應(yīng)

圖5、圖6為地震波沿三向輸入時(shí)，橋梁所產(chǎn)生的最大位移及加速度響應(yīng)曲線。從圖中可得出，地震波對(duì)橋梁位移、加速度響應(yīng)變化規(guī)律一致；Y方向地震波輸入對(duì)橋梁縱向位移、加速度響應(yīng)大于其余情況響應(yīng)；地震波三向輸入中，橋梁的墩梁固結(jié)處產(chǎn)生的位移響應(yīng)較為明顯；地震波Y方向輸入在縱橋向產(chǎn)生的加速度響應(yīng)明顯大于X方向輸入在橫橋向以及Z方向輸入在豎橋向產(chǎn)生的加速度響應(yīng)。因此，在連續(xù)剛構(gòu)橋施工過(guò)程中，應(yīng)采用一定的技術(shù)措施，加強(qiáng)墩梁固結(jié)處的剛度及強(qiáng)度要求；另外在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意橋梁縱橋向受力設(shè)計(jì)。

圖7 地震波沿三向輸入時(shí)墩梁固結(jié)與跨中內(nèi)力

圖7為地震波沿橋縱向、橫向、豎向輸入時(shí)，橋梁墩梁固結(jié)處以及跨中內(nèi)力情況。從圖7中可看出，相同地震波輸入條件下，墩梁固結(jié)處的內(nèi)力遠(yuǎn)大于跨中內(nèi)力；橋梁固結(jié)處、跨中在不同地震波輸入條件下，其內(nèi)力不同，其中地震波Y方向輸入對(duì)橋梁產(chǎn)生的內(nèi)力最為明顯；綜合對(duì)比地震波三向輸入對(duì)橋梁內(nèi)力產(chǎn)生的影響，X方向所產(chǎn)生的內(nèi)力響應(yīng)小于Y方向以及Z方向的內(nèi)力響應(yīng)。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究綜合考慮了不同向地震波輸入對(duì)橋梁墩梁位移、加速度以及內(nèi)力的影響，結(jié)果表明橋梁墩梁固結(jié)處內(nèi)力響應(yīng)較其他位置內(nèi)力響應(yīng)最為明顯；且地震波縱向輸入對(duì)橋梁位移及加速度響應(yīng)大于橫向輸入及豎向輸入。建議在連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)施工過(guò)程中，嚴(yán)格控制墩梁固結(jié)處材料選用及施工質(zhì)量控制，保證橋梁在震動(dòng)情況下仍處安全狀態(tài)。