波紋鋼腹板連續(xù)梁橋動力特性及地震響應(yīng)分析

劉敬坤，林明莊，應(yīng) 雪

(中國林業(yè)科學(xué)研究院 熱帶林業(yè)研究所，廣東 廣州 510520)

0 引言

波紋鋼腹板PC 組合梁橋是一種經(jīng)濟(jì)、高效、施工簡便的新型橋梁形式。自從1988 年ACSI 協(xié)會將波紋鋼腹板PC 組合箱梁作為橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹后，世界各國均圍繞這一新的組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。其恰當(dāng)?shù)貙?、混凝土兩種不同材料結(jié)合起來，提高了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、強度及材料的使用率，有效地解決了傳統(tǒng)混凝土箱梁腹板容易開裂的問題，并大幅度降低腹板的重量來實現(xiàn)主梁的輕質(zhì)化，從而改善了橋梁的抗震性能。同時，由于波紋鋼腹板軸向剛度很小，腹板對翼板混凝土的約束減弱，收縮徐變效應(yīng)對開裂影響得到改善，而預(yù)應(yīng)力的導(dǎo)入效率也顯著提高［1－3］。近年來，我國地震頻發(fā)，作為生命線工程的橋梁結(jié)構(gòu)如在地震作用力下發(fā)生破壞，將導(dǎo)致嚴(yán)重的次生災(zāi)害，危害人民群眾的生命和財產(chǎn)安全。因此對這種新型橋梁，研究其動力特性和地震反應(yīng)特點，探討其在地震作用下的薄弱環(huán)節(jié)，為建立合理的抗震結(jié)構(gòu)體系提供科學(xué)依據(jù)，這些都具有重要的現(xiàn)實意義。

結(jié)合某主跨120 m 的連續(xù)梁橋的工程背景，將其試設(shè)計成波紋鋼腹板梁橋，建立起有限元動力計算模型，對該結(jié)構(gòu)的動力特性進(jìn)行了計算，采用時程分析方法對其在各向地震動作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)特點進(jìn)行了分析研究，以期為類似工程提供相應(yīng)參考。

1 對比設(shè)計

1.1 工程背景

某PC 連續(xù)箱梁橋為3 跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)體系.跨徑布置為65 m+120 m+65 m，采用單箱單室截面，箱梁寬8 m，翼緣板懸臂4 m，全寬16 m。箱梁高度按1.8 次拋物線變化，根部高6.5 m，端部及跨中高2.5 m;箱梁底板厚度按1.8次拋物線變化，根部厚0.8 m，跨中厚0.25 m，箱梁頂板厚0.28 cm，腹板厚度在0.45 ～0.8 cm 之間。全橋在端支座和中邊跨跨中處共設(shè)5 道橫隔板。橋梁主墩為鋼筋混凝土實體墩，墩寬8 m，薄壁厚度為3 m，主墩采用承臺配2 排共6 根樁徑1 m 的鉆孔灌注樁。橋梁的總體布置見圖1。截面尺寸如圖2a所示，截面特性見表1。

圖1 橋梁的總體布置(單位:cm)

圖2 截面尺寸(單位:cm)

表1 截面特性對比表

1.2 對比設(shè)計及有限元模型建立

波紋鋼腹板梁橋是在原PC 梁橋的基礎(chǔ)上，用16 ～30 mm 厚的1600 型的波紋鋼腹板替代鋼筋混凝土腹板，相關(guān)截面尺寸與原PC 梁橋相同，完成對比設(shè)計。截面尺寸如圖2b 所示，截面特性見表1，靜力學(xué)驗算結(jié)果符合相關(guān)規(guī)范的規(guī)定［4－8］。

采用橋梁計算軟件Midas/Civil 2010 模擬建立PC 連續(xù)梁橋和波紋鋼腹板連續(xù)梁橋模型，如圖3a和圖3b 所示，PC 連續(xù)梁橋整體模型包含了節(jié)點86個，單元83 個，其中橋墩和主梁均使用梁單元建立，墩和主梁的連接利用彈性連接，由于橋位處于基巖場地，基巖剛度較大，承臺下采用鉆孔灌注樁于基巖內(nèi)，因此可以按剛性基礎(chǔ)偏保守考慮。波紋鋼腹板梁橋建立模型的方式與PC 梁橋類似，在其主梁單元中未計入波紋鋼腹板的抗彎剛度，只考慮其自身重量對橋梁的影響。

圖3 有限元模型

2 確定地震波

采用時程法對該橋進(jìn)行地震反應(yīng)分析，當(dāng)無實測地震波時，可根據(jù)頻譜特性、持續(xù)時間和有效峰值三個方面來選取相近的地震波。頻譜特性即設(shè)計場地的特征周期與所選用的地震波的特征周期應(yīng)基本相同;持續(xù)時間是指有效持續(xù)時間;峰值強度可以通過放大系數(shù)使所選用的地震波與實際地震峰值強度一致。

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306－2001)劃分，工程背景的場地條件為:地震動峰值加速度小于0.05g，地震動反應(yīng)譜特性周期0.35 s，對應(yīng)的地震基本烈度小于Ⅵ度，不考慮地震液化影響。

本文選取的地震波為:1979，James RD.EI Centro，310 Deg。以下分三個方面進(jìn)行說明。

2.1 頻譜特性

所選用地震波的有效峰值加速度EPA=4.744 m/s2，有效峰值速度EPV=0.267 m/s。特征周期，與場地特征周期0.35 s 接近。

2.2 持續(xù)時間

結(jié)構(gòu)一階自振周期T1=1.329 s，10T1=13.29 s，所選用的地震波持續(xù)時間為37.82 s，有效持續(xù)時間大約為24.5 s，所選用的地震波有效持續(xù)時間滿足要求。

2.3 有效峰值

所選用地震波的放大系數(shù)為:

3 動力特性

結(jié)構(gòu)動力分析是進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震性能分析的前提，根據(jù)《抗震細(xì)則》規(guī)定，結(jié)構(gòu)分析中所考慮的振型階數(shù)在計算方向上獲得90%以上的有效質(zhì)量，為了滿足振型在各個方向的振型參與質(zhì)量之和達(dá)到要求，保證計算精度，本橋計算了前60 階的頻率與振型，振型參與質(zhì)量均占95%以上。分析得到了PC梁橋和波紋鋼腹板梁橋的動力特性，表2 給出了兩座橋的前5 階的頻率、周期和振型特征，圖4 為它們的前2 階振型圖。

表2 前5 階自振頻率及振型特征表

圖4 PC 梁橋與波紋鋼腹板梁橋的振型圖

由表2 和圖4 可以看出，波紋鋼腹連續(xù)梁橋的動力特性具有如下特點:

1)PC 梁橋與波紋鋼腹板梁橋的結(jié)構(gòu)基頻都隨著階數(shù)的增大而增大，但是波紋鋼腹板的增大速率明顯高于傳統(tǒng)的PC 梁橋，相應(yīng)的周期變化則與之相反。

2)PC 梁橋與波紋鋼腹板梁橋的振型特征相差不大，二者前5 階都出現(xiàn)了一次橫向彎曲，不同的是PC 梁橋出現(xiàn)在第3 階振型，而波紋鋼腹板出現(xiàn)在第4 階振型。

4 地震反應(yīng)分析

采用線性時程方法，分別對縱向、橫向和豎向地震動作用下的兩種橋型的地震反應(yīng)進(jìn)行分析。

4.1 縱向地震反應(yīng)分析

在地震波縱向一致激勵下，兩種橋型的主梁最大位移與最大內(nèi)力值見表3，由表3 可知在縱向地震作用下，PC 梁橋的主梁最大內(nèi)力均大于波紋鋼腹板的主梁最大內(nèi)力，而位移則與之相反。主要原因是PC 梁橋的剛度大于波紋鋼腹板梁橋的剛度?？梢姴y鋼腹板梁橋的反應(yīng)比PC 梁橋劇烈，但內(nèi)力小于PC 梁橋，從而具有優(yōu)越的抗震性能。兩種橋型的中跨跨中的豎向位移反應(yīng)如圖5 所示。

表3 縱向地震作用下位移和內(nèi)力最大值

圖5 縱向地震作用下兩種橋型的中跨跨中位移反應(yīng)圖

4.2 橫向地震反應(yīng)分析

在地震波橫向一致激勵下，兩種橋型的主梁最大位移與最大內(nèi)力值見表4，它們主梁既無縱向和豎向位移又無軸力，PC 梁橋的橫向位移、剪力和彎矩均大于波紋鋼腹板梁橋的對應(yīng)值，這是由于兩種橋梁的橫向剛度不同所致，PC 梁橋的橫向剛度要大于波紋鋼腹板梁橋的橫向剛度。兩種橋型的中跨跨中的橫向位移反應(yīng)如圖6 所示。

4.3 豎向地震反應(yīng)分析

在地震波豎向一致激勵下，兩種橋型的主梁最大位移與最大內(nèi)力值見表5，它們的主梁均無橫向位移，波紋鋼腹板的縱向和豎向位移均大于PC 梁橋相應(yīng)的位移，但是其主梁最大內(nèi)力小于PC 梁橋的，進(jìn)一步驗證了波紋鋼腹板梁橋的豎向剛度要小于PC 梁橋，顯示了其抗震方面的優(yōu)越性。兩種橋型的中跨跨中的豎向位移反應(yīng)如圖7 所示。

表4 橫向地震作用下位移和內(nèi)力最大值

圖6 橫向地震作用下兩種橋型的中跨跨中位移反應(yīng)圖

表5 豎向地震作用下位移和內(nèi)力最大值

圖7 豎向地震作用下兩種橋型的中跨跨中位移反應(yīng)圖

5 結(jié)語

結(jié)合某PC 梁橋的設(shè)計實例，將其腹板換成波紋鋼腹板對比設(shè)計并建立有限元模型，對結(jié)構(gòu)的動力特性進(jìn)行計算，采用時程分析法對兩種橋型的地震反應(yīng)特點進(jìn)行了分析研究，得到了如下結(jié)論:

1)PC 梁橋的結(jié)構(gòu)基頻4.855 rad/s 大于波紋鋼腹板梁橋的結(jié)構(gòu)基頻4.728 8 rad/s，二者的一階振型均為縱向?qū)ΨQ，說明PC 梁橋的剛度大于波紋鋼腹板梁橋的剛度。

2)各向地震作用下，兩種橋型的中跨跨中位移在橫向地震作用下的反應(yīng)最大，說明它們的縱向剛度和豎向剛度均大于它們的橫向剛度;由于傳統(tǒng)的PC 連續(xù)梁橋自重較大，導(dǎo)致各向地震作用下在大部分時段PC 梁橋中跨跨中位移反應(yīng)值大于波紋鋼腹板梁橋?qū)?yīng)的反應(yīng)值。

3)本文進(jìn)行了波紋鋼腹板梁橋與PC 梁橋的抗震性能對比，綜合評價波紋鋼腹板梁橋的抗震性能優(yōu)于普通的PC 梁橋，為以后橋梁的設(shè)計比選提供參考。

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