連續(xù)梁橋地震反應(yīng)譜分析

張 東 亮

(青藏鐵路公司德令哈工務(wù)段，青海 海西 817000)

?

連續(xù)梁橋地震反應(yīng)譜分析

張 東 亮

(青藏鐵路公司德令哈工務(wù)段，青海 海西 817000)

以平安湟水河橋跨徑(48+80+48)m的連續(xù)梁橋?yàn)樗憷?，根?jù)橋梁所處的地質(zhì)條件，建立了三維空間有限元模型，并進(jìn)行了動(dòng)力特性分析，計(jì)算得到了連續(xù)梁橋反應(yīng)譜的內(nèi)力響應(yīng)，指出綜合分析地震力組合輸入對(duì)該橋的影響是必要的。

連續(xù)梁，反應(yīng)譜，地震響應(yīng)，動(dòng)力特性

地震是人類(lèi)生存、社會(huì)發(fā)展過(guò)程中偶遇的自然現(xiàn)象。它是地殼快速釋放能量過(guò)程中造成的振動(dòng)。通常說(shuō)的地震指構(gòu)造地震，它是由于地下深處巖石破裂、錯(cuò)動(dòng)把長(zhǎng)期積累起來(lái)的能量急劇釋放出來(lái)，以地震波的形式向四面八方傳播出去，到達(dá)地面后引起的地面搖動(dòng)。21世紀(jì)是地震活躍期，如：2008年5月，四川省汶川縣發(fā)生8.0級(jí)地震，海地2010年1月8.5級(jí)地震，智利2010年2月8.9級(jí)地震，以及日本2011年3月9.0級(jí)地震已造成多座橋梁的破壞，人員嚴(yán)重的傷亡。橋梁作為交通樞紐的基礎(chǔ)建筑設(shè)施，一旦遭受損壞，搶修非常困難，將對(duì)地震地區(qū)救援等產(chǎn)生巨大的影響[1,2]，導(dǎo)致很大的次生經(jīng)濟(jì)損失，因而，針對(duì)交通生命線中重要節(jié)點(diǎn)的橋梁進(jìn)行深入抗震研究具有重要意義。地震動(dòng)對(duì)大跨度連續(xù)橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)的影響[3-5]不可忽視，而抗震設(shè)計(jì)往往成為大跨度連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)中的控制因素[6.7]。大跨度連續(xù)梁橋是我國(guó)鐵路建設(shè)中廣泛使用的橋型之一，這種橋型大多采用“多跨一聯(lián)”的結(jié)構(gòu)形式，在一聯(lián)橋跨中通常僅設(shè)置一個(gè)固定墩，在地震荷載作用下，由于上部結(jié)構(gòu)的慣性力主要由固定墩承擔(dān)，因此固定墩必須滿足強(qiáng)度及延性的要求，因此大跨連續(xù)梁橋固定墩大多采用鋼筋混凝土重力式橋墩。

1 工程概況及動(dòng)力分析模型

1.1 工程概況

平安湟水河鐵路橋?yàn)橐宦?lián)三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，橋梁的結(jié)構(gòu)形式為(48+80+48)m，截面為單箱單室、變高度、直腹板、箱形結(jié)構(gòu)，主墩墩頂5.0m范圍內(nèi)梁高均為6.65m，跨中及邊跨現(xiàn)澆段梁高3.85m。梁底曲線為二次拋物線，梁底拋物線方程為y=0.002 1x2；箱梁頂寬12.2m、底寬6.7m，單側(cè)懸臂長(zhǎng)2.75m，懸臂端部厚24.8cm，懸臂根部厚65cm。箱梁腹板為直腹板，腹板厚度由箱梁梁體主墩墩頂根部90cm變至跨中及邊墩支點(diǎn)附近梁段48cm。底板在箱梁梁體主墩墩頂根部90cm變至跨中及邊跨直線段厚40cm。頂板厚40cm，其中箱梁梁體邊墩頂根部加厚至80cm。頂板設(shè)90cm×30cm的倒角，底板設(shè)30cm×30cm的倒角。兩個(gè)主墩墩身高分別為23.5m和13.5m。上部箱梁采用C50混凝土，橋墩采用C30混凝土。地基以黏土礦物等為主，地震基本烈度為7度。

1.2 有限元計(jì)算模型及動(dòng)力特性分析

借助大型通用分析軟件ANSYS建立了大橋三維有限元計(jì)算模型。箱梁截面采用單元Plane82建立，主梁和橋墩采用單元Beam188模擬，主梁節(jié)點(diǎn)與橋墩用節(jié)點(diǎn)耦合來(lái)模擬支座。兩主墩底部固結(jié)，主梁與邊墩處約束豎向位移及繞縱橋向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

采用蘭索斯塊形劃分法對(duì)該連續(xù)梁橋進(jìn)行了模態(tài)分析，計(jì)算出前60階的自振頻率和振型，其中前5階的動(dòng)力特性如表1所示。

表1 連續(xù)梁橋的動(dòng)力特性

2 反應(yīng)譜的選擇

根據(jù)本橋橋址場(chǎng)地類(lèi)型，采用三水平的抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究評(píng)價(jià)，該橋采用100年10%(100年超越概率水平10%，即E1概率)、100年2%(100年超越概率水平2%，即E2概率)和50年2%(50年超越概率水平2%，即E3概率)三個(gè)概率水準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。順橋向和橫橋向選取的地震波一樣，而豎向地震波選取幅值調(diào)整系數(shù)為0.60。同時(shí)，阻尼比取0.05。分別計(jì)算了E1概率、E2概率和E3概率三種概率地震動(dòng)作用下的橋梁地震反應(yīng)。

3 反應(yīng)譜的計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算中取前60階振型進(jìn)行疊加，豎向反應(yīng)譜值取水平向的0.60倍。對(duì)于三種概率水平均計(jì)算了縱橋向輸入+豎向輸入(工況1)和橫橋向輸入+豎向輸入(工況2)對(duì)連續(xù)梁橋主梁和橋墩內(nèi)力的影響。圖1，圖2為不同工況下主梁內(nèi)力響應(yīng)曲線，主梁的內(nèi)力響應(yīng)在E2概率水平下最大，E3概率水平下次之，E1概率水平下最小。工況1作用下主梁的軸力、縱向彎矩和豎向剪力響應(yīng)較大，其他內(nèi)力響應(yīng)可忽略不計(jì)；工況2作用下主梁的縱向彎矩、扭矩、豎向剪力和橫向剪力響應(yīng)較大，軸力和豎向彎矩響應(yīng)次之。工況1作用下主梁的軸力在墩梁連續(xù)處出現(xiàn)突變，峰值在3號(hào)墩梁連接處，其值分別為31 730kN，26 090kN和18 500kN；主梁的縱向彎矩在墩梁連接處出現(xiàn)最大值，其值分別為100 800kN·m，82 900kN·m和46 100kN·m，在中跨范圍內(nèi)有較小值；主梁的豎向剪力在3號(hào)墩梁連接處出現(xiàn)最大值，其值分別為6 240kN，5 130kN和2 633kN，跨中出現(xiàn)最小值。工況2作用下主梁的扭矩在墩梁連接處附近振蕩并出現(xiàn)峰值，最大值分別為22 700kN·m，18 700kN·m和14 000kN·m，主梁的橫向彎矩和豎向剪力在3號(hào)墩梁連接處出現(xiàn)最大值，其值各為258 000kN·m，209 000kN·m和152 000kN·m及4 890kN，4 020kN和1 810kN,主梁的橫向剪力在2號(hào)墩梁連接處出現(xiàn)最大值，其值分別為15 100kN，12 500kN和9 270kN。

4 結(jié)語(yǔ)

1)連續(xù)梁橋的主梁內(nèi)力響應(yīng)在墩梁連接處有突變或峰值，即墩梁連接處響應(yīng)較大，所以支座是橋梁抗震方面的薄弱環(huán)節(jié)。2)不同的反應(yīng)譜對(duì)主梁和橋墩內(nèi)力均有不同的影響，內(nèi)力響應(yīng)在E2概率水平下最大，E3概率水平下次之，E1概率水平下最小，因此，抗震設(shè)計(jì)中合理選用設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線極為重要。3)工況1作用下，與E1概率水平下相比，E2概率水平下主梁跨中的縱向彎矩和豎向剪力分別增大了143%和109%，E3概率水平下分別增大100%和71%；工況2作用下，與E1概率水平下相比，E2概率水平下2號(hào)、3號(hào)橋墩墩底豎向彎矩分別增大了63%和64%，E3概率水平下分別增大34%和35%。

[1]鄧小偉.基于兩水平設(shè)防的連續(xù)梁橋抗震性能分析.石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào),2012,25(4):39-42.

[2]蘇 虹，胡世德.連續(xù)梁橋的抗震性能分析.結(jié)構(gòu)工程師,2002(2):36-40.

[3]王 強(qiáng).某連續(xù)梁橋地震反應(yīng)譜分析.山西建筑，2012，38(24):181-182.

[4]林萬(wàn)杰.大跨長(zhǎng)聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋地震反應(yīng)分析.成都:西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.

[5]苗 林，陳興沖.西小坪預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橋抗震分析.蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào),2007,26(1):52-55.

[6]董 超.大跨度鐵路連續(xù)梁橋地震反應(yīng)分析.成都:西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

[7]戴曉春，袁 明，何庭國(guó).高速鐵路長(zhǎng)聯(lián)大跨連續(xù)梁橋地震響應(yīng)分析.橋梁建設(shè),2006(2):144-146.

Analysisoncontinuousbeambridgeseismicresponsespectrum

ZhangDongliang

(Delingha Railway Section, Qinghai-Tibet Railway Company, Haixi 817000, China)

TakingthecontinuousbeambridgeofPing’anHuangshuiRiverbridgespan(48+80+48)masanexample,accordingtothegeologicalconditionofbridgelocation,thispaperestablishedathree-dimensionalfiniteelementmodel,andcarriedondynamiccharacteristicsanalysis,calculatedandgainedtheinternalforceresponseofcontinuousbeambridgeresponsespectrum,pointedoutthatthecomprehensiveanalysisonseismiccombinationinputwasnecessarytoinfluencethebridge.

continuousbeam,responsespectrum,earthquakeresponse,dynamiccharacteristic

1009-6825(2015)01-0186-02

2014-10-23

張東亮(1981- )，男，工程師

U

A