黃土高原高烈度地震區(qū)高墩大跨T形剛構(gòu)橋抗震性能分析

白驥為

(蘭州鐵道設(shè)計院有限公司，甘肅蘭州730000)

黃土高原高烈度地震區(qū)高墩大跨T形剛構(gòu)橋抗震性能分析

白驥為

(蘭州鐵道設(shè)計院有限公司，甘肅蘭州730000)

西部黃土高原常見山高谷深、溝壑縱橫的地形，因此西部交通建設(shè)中高墩大跨度T形剛構(gòu)橋的應(yīng)用越來越多。莊科咀大橋位于西北黃土高原山區(qū)，是一座位于高烈度地震區(qū)的高墩大跨T構(gòu)橋。采用M idas/Civil軟件建立三維有限元模型，對該橋進行了動力特性分析、抗震性能分析，計算結(jié)果表明各項指標(biāo)都滿足規(guī)范要求。

黃土地區(qū)高墩 T形剛構(gòu)橋 抗震分析

1 工程概況

1.1 地形地貌

莊科咀大橋位于寧夏固原市原州區(qū)東北部，橫跨深切沖溝，溝槽深約76 m，圖1。

圖1 主橋立面(單位:cm)

1.2 地層巖性

據(jù)地質(zhì)調(diào)查及鉆探揭示，橋址區(qū)地層主要為第四系全新統(tǒng)沖積砂質(zhì)黃土，上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土，下第三系泥巖。

1.3 地震動參數(shù)

橋址區(qū)地震動峰值加速度0.20g(相當(dāng)于地震基本烈度八度)，地震動反應(yīng)譜特征周期0.45 s。

1.4 橋梁布置情況

主橋部分采用(95+95)m T形剛構(gòu)，小里程端置于橋臺上，主墩為1#墩，位于溝槽中心，與梁部固結(jié)。T構(gòu)大里程端置于2#墩上，T構(gòu)外接簡支梁跨。

1.5 橋梁設(shè)計概況

全橋孔跨布置為(95+95)m T形剛構(gòu)橋+3×32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋，橋臺均采用單線T形橋臺，1#橋墩采用矩形薄壁空心橋墩，2#—4#墩為單線圓端形空心墩。所有橋墩均采用鉆孔樁基礎(chǔ)。

1.6 主墩結(jié)構(gòu)構(gòu)造

主橋橋墩采用變截面矩形薄壁墩，墩身順橋向?qū)挾?.0 m，壁厚1.2 m，內(nèi)外壁為直坡變化;墩頂橫橋向?qū)挾?.5 m，壁厚為1.2 m，墩身橫橋向外側(cè)按40∶1、內(nèi)側(cè)按60∶1的坡度變化，墩底橫橋向?qū)挾?0.0 m。

2 莊科咀大橋動力特性分析

2.1 結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

用M idas程序建立有限元分析模型，全橋共劃分為1 437個節(jié)點和1 401個單元。模型中主梁和橋墩均采用三維空間梁單元模擬。墩底考慮樁基礎(chǔ)和地基對結(jié)構(gòu)的作用，樁基礎(chǔ)的模擬采用了簡化處理。

2.2 自振特性分析

該橋自振特性計算如表1所示。

表1 莊科咀大橋自振特性

2.3 動力特性分析

從本橋前五階振動頻率和振型可以看出，梁的豎向、縱向振動和橫向彎曲振動交替出現(xiàn)，說明箱梁結(jié)構(gòu)的梁高取值、橫截面設(shè)計、頂?shù)装搴穸群蜆蚨盏慕孛嫘问降榷驾^為合理，全橋的扭轉(zhuǎn)振動出現(xiàn)得比較晚，證明了箱形梁抗扭剛度大的特點。

3 莊科咀大橋多遇地震抗震性能分析

對莊科咀大橋進行多遇地震下的反應(yīng)譜分析，采用SRSS方法組合來分別計算順橋向及橫橋向地震反應(yīng)。

3.1 反應(yīng)譜分析結(jié)果

多遇地震下各墩墩頂、墩底截面的順橋向結(jié)構(gòu)內(nèi)力見表2。

由分析結(jié)果可知:

1)無論順橋向還是橫橋向，墩頂最大位移都發(fā)生在1#剛構(gòu)墩墩頂處。在橫橋向作用下，1#剛構(gòu)墩的墩頂位移約是2#墩的2倍，可見剛構(gòu)墩伴隨著墩高的增大，橫橋向墩頂位移也在增大。

表2 多遇地震下順橋向結(jié)構(gòu)內(nèi)力

2)無論是在順橋向和橫橋向地震作用下，1#剛構(gòu)墩由于墩高的原因，彎矩和剪力還有位移都比較大，因此剛構(gòu)墩為最不利墩，在進行設(shè)計時應(yīng)該充分考慮到這一點。

3.2 彈性驗算

根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50111—2006)的要求:在多遇地震下，結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到“小震不壞”水準(zhǔn)，即地震后不損壞或輕微損壞，能夠保持其正常使用功能。本文對鋼筋混凝土橋墩進行了多遇地震下的抗震安全性驗算。

按照現(xiàn)行規(guī)范，對每個橋墩按照順橋向和橫橋向進行偏心驗算。1#橋墩的偏心驗算結(jié)果見表3。

表3 1#橋墩的偏心驗算

4 莊科咀大橋罕遇地震抗震性能分析

4.1 彈塑性時程反應(yīng)計算及結(jié)果分析

本文采用橋梁專用有限元軟件Midas/Civil建立模型，對橋墩進行彈塑性時程反應(yīng)分析。選擇地震動時程時，根據(jù)橋址的場地特征周期及持續(xù)時間，利用M idas Building自帶的選波工具，選擇了三條國內(nèi)外常用的強震記錄James_v-0.39 s-0.24g，Taft_v-0.35 s-0.1g及James_t-0.45 s-0.5g。在輸入地震波加速度時，考慮到此橋的重要性，將各記錄的峰值進行了調(diào)整。彈塑性時程計算結(jié)果見表4。James_v波和Taft_v波作用下塑性鉸區(qū)域彎矩—曲率滯回曲線見圖2和圖3。

表4 彈塑性時程分析結(jié)果

在罕遇地震作用下，按照選定的三條波對該橋進行非線性時程反應(yīng)分析，由計算結(jié)果可見:

順橋向:在James_v波作用下，1#墩墩頂截面進入屈服階段，為屈服未破壞，彎矩—曲率滯回曲線比較扁平，說明剛剛進入屈服狀態(tài);1#墩墩底截面進入屈服階段，為屈服未破壞。在Taft_v波作用下，1#墩墩頂截面在彈性范圍內(nèi)工作，未進入塑性階段;1#墩墩底截面進入開裂階段，為開裂未屈服。在James_t波作用下1#墩墩頂截面在彈性范圍內(nèi)工作，未進入塑性階段;1#墩墩底截面進入開裂階段，為開裂未屈服。

橫橋向:在James_v波作用下，1#墩墩頂截面在彈性范圍內(nèi)工作，未進入塑性階段;1#墩墩底截面進入屈服階段，為屈服未破壞。在Taft_v波作用下，1#墩墩頂截面在彈性范圍內(nèi)工作，未進入塑性階段;1#墩墩底截面進入開裂階段，為開裂未屈服。在James_t波作用下1#墩墩頂截面在彈性范圍內(nèi)工作，未進入塑性階段;1#墩墩底截面進入開裂階段，為開裂未屈服。

4.2 位移反應(yīng)驗算

根據(jù)截面彎矩—曲率關(guān)系表墩底屈服彎矩為1.091×106kN·m，反算出對應(yīng)墩頂順橋向的屈服位移為0.127 m。James_v波作用下的非線性位移延性比=0.159/0.127=1.252，Taft_v波作用下的非線性位移延性比=0.109/0.127=0.858，Taft_v波作用下的非線性位移延性比=0.051/0.127=0.858，均滿足規(guī)范“非線性位移延性比＜4.8”的要求。

圖2 James_v波作用下截面彎矩—曲率滯回曲線

圖3 Taft_v波作用下截面彎矩—曲率滯回曲線

5 結(jié)論

本文以莊科咀大橋為工程背景，運用M idas/Civil軟件建模進行結(jié)構(gòu)的自振特性分析，并按照有車、無車兩種工況對橋梁結(jié)構(gòu)進行了多遇地震下的反應(yīng)譜分析。最后按照規(guī)范要求對橋墩進行了多遇地震下橋墩的抗震驗算，驗算結(jié)果均滿足規(guī)范“小震不壞”的要求。

對莊科咀大橋進行彈塑性時程分析計算，按橋址區(qū)的場地特征周期選定了三條地震波進行彈塑性時程分析。順橋向，剛構(gòu)墩墩頂截面均進入開裂階段，墩底截面進入屈服階段;橫橋向，墩頂截面在彈性范圍內(nèi)工作，墩底截面進入屈服階段未破壞。橋墩無破壞現(xiàn)象發(fā)生，滿足規(guī)范“大震不倒”的要求。在以后設(shè)計類似橋梁時，應(yīng)該加強塑性鉸區(qū)域的鋼筋設(shè)置，利用塑性鉸產(chǎn)生的塑性變形耗能，減輕結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

［1］朱伯龍，屠成松，許哲明，等.工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計原理［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1982.

［2］范立礎(chǔ).橋梁抗震［M］.上海.同濟大學(xué)出版社，1996.

［3］夏修身，陳興沖，王常峰.鐵路高墩彈塑性地震反應(yīng)分析［J］.世界地震工程，2008，24(2):117-121.

［4］馬麟.橋梁結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應(yīng)分析及延性抗震設(shè)計方法的研究［D］.西安:長安大學(xué)，2005.

［5］李登科.高墩大跨鐵路橋梁動力特性分析［J］.鐵道建筑，2012(7):20-22.

［6］李林.罕遇地震下空心墩薄壁高墩大跨T形剛構(gòu)橋彈塑性地震反應(yīng)分析［J］.地震工程學(xué)報，2013(1):56-61.

(責(zé)任審編趙其文)

U448.23+1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.04

1003-1995(2015)06-0014-03

2015-01-19;

2015-03-16

白驥為(1984—)，男，甘肅隴西人，工程師。