山區(qū)高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋地震時(shí)程響應(yīng)分析

鄭江偉

(中國(guó)中鐵五局集團(tuán)貴州投資建設(shè)指揮部， 貴州貴陽 550002)

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山區(qū)高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋地震時(shí)程響應(yīng)分析

鄭江偉

(中國(guó)中鐵五局集團(tuán)貴州投資建設(shè)指揮部， 貴州貴陽 550002)

【摘要】為了分析研究高墩連續(xù)剛構(gòu)橋地震時(shí)程響應(yīng)規(guī)律，以西北地區(qū)某一跨徑為(48+96+48) m的組合連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔?，該橋三維有限元模型是借助軟件ANSYS進(jìn)行建立，研究了其自振結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，根據(jù)橋址的實(shí)際地質(zhì)情況，選用適用的Elcentro地震波作為輸入地震波;根據(jù)時(shí)程分析理論，分析了此地震波作用下全橋的地震響應(yīng)，具體分析了剛構(gòu)橋橋墩內(nèi)力及主梁跨中位移的時(shí)程響應(yīng)。研究結(jié)果表明：地震波縱向輸入時(shí)，墩梁連接處及主梁跨中主要表現(xiàn)為縱向位移和豎向位移；橫向輸入時(shí)，主要表現(xiàn)為橫向位移；豎向輸入時(shí)，主要表現(xiàn)為豎向位移。1#、2#墩底和墩頂?shù)膬?nèi)力響應(yīng)不同地震波下有所不同，其響應(yīng)的最大值分別出現(xiàn)在不同的時(shí)間點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】剛構(gòu)橋;時(shí)程分析;地震響應(yīng)

隨著西部經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不斷推進(jìn)，大量高墩結(jié)構(gòu)在沿線修建，它是山區(qū)跨深溝峽谷、地形落差較大的重要橋梁形式之一。并且我國(guó)西北地區(qū)地震次數(shù)多且烈度高，橋梁作為生命線工程之一，在地震中也是一薄弱環(huán)節(jié)。地震力作用于橋梁結(jié)構(gòu)上，較短的時(shí)間內(nèi)使橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力突然增大或變形陡增，從而使橋梁承載力不能滿足要求或變形過大而喪失穩(wěn)定性，致使結(jié)構(gòu)倒塌和破壞。因此，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的抗震分析研究具有現(xiàn)實(shí)而緊迫的意義。高墩連續(xù)剛構(gòu)橋[1]墩身高且柔，結(jié)構(gòu)受力合理，抗震性能好，抗推剛度在縱橋向較小，跨越能力較大，其對(duì)混凝土收縮、徐變、溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)水平位移有較好的適應(yīng)能力，能充分發(fā)揮高強(qiáng)材料的效能。時(shí)程分析方法[2-4]作為一種動(dòng)態(tài)的分析方法，真實(shí)地反映了結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。同時(shí)時(shí)程分析方法也有很大的缺陷，它是以地震加速度為依據(jù)，對(duì)地震波的選擇依賴性太大，且考慮精度要求，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求也較高。文獻(xiàn)[5-8]研究了剛構(gòu)橋梁的地震響應(yīng)，得到了一些有用的結(jié)論?；跇蛄航Y(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)設(shè)施中的重要地位，對(duì)橋梁進(jìn)行地震響應(yīng)的分析和研究是必要的，同時(shí)也為橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1時(shí)程分析方法的理論

時(shí)程分析方法實(shí)質(zhì)是對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)方程進(jìn)行直接積分的動(dòng)力方法，是從系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程出發(fā)建立求解響應(yīng)的遞推公式。多自由度體系在地面運(yùn)動(dòng)作用下的運(yùn)動(dòng)方程為：

(1)

2地震波的選取與工程概況

2.1地震波的選取

本文擬采用地震波為Elcentro波，選取實(shí)際強(qiáng)震地震前30 s時(shí)程曲線進(jìn)行分析，包括了地震記錄的最強(qiáng)部分，符合地震波的選取原則。EL地震波三個(gè)方向的加速度時(shí)程見圖1。

圖1　地震波三方向加速度時(shí)程曲線

2.2工程概況

本文以西北地區(qū)某高墩連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)閷?shí)例，跨徑組合48 m+96 m+48 m，總長(zhǎng)192 m，主梁截面為等截面單箱雙室箱梁。箱梁高為3.0 m，箱梁頂板寬24.0 m，底板寬16.0 m，兩翼懸臂長(zhǎng)4.0 m，箱形截面的頂板和底板厚度為0.3 m，腹板厚度為0.6 m。1#墩高50.0 m，2#墩高70.0 m。橋墩采用空心薄壁結(jié)構(gòu)，墩身斷面尺寸橫橋向12.0 m，順橋向9.0 m，橫橋向壁厚1.6 m，順橋向壁厚2.0 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50。該橋的三維有限元模型見圖2。模型中，等截面主梁和變截面空心橋墩分別采用梁?jiǎn)卧猙eam44和梁?jiǎn)卧猙eam188來進(jìn)行模擬?？傮w坐標(biāo)系下，X方向?yàn)榭v橋方向，Y方向?yàn)闄M橋方向，Z方向?yàn)樨Q橋方向。兩橋墩墩底所有自由度被約束即固結(jié)，邊跨兩端約束了豎向位移和扭轉(zhuǎn)兩自由度，主梁節(jié)點(diǎn)與橋墩用節(jié)點(diǎn)耦合來模擬支座。

圖2　三維有限元模型

3模態(tài)分析及地震反應(yīng)時(shí)程分析

3.1模態(tài)分析

該高墩連續(xù)剛構(gòu)橋的模態(tài)采用分塊Lanczos方法進(jìn)行分析，為了滿足計(jì)算精度要求，采用前100階模態(tài)參與計(jì)算，表1列出了前6階的自振頻率和相應(yīng)的振型特征。

表1　自振頻率和相應(yīng)的振型特征

3.2地震反應(yīng)時(shí)程分析

地震反應(yīng)時(shí)程分析結(jié)果見表2、表3，響應(yīng)曲線見圖3～圖11。

由表2可知，地震波在縱橋方向輸入時(shí)，主梁位移響應(yīng)以縱橋方向及豎向位多為主，橫橋向位移響應(yīng)很小，可以忽略不計(jì)；由表3可知，兩墩縱向剪力相差不大，而矮墩的軸力和橫向彎矩較高墩大；由圖3～圖5可知，主梁跨中縱向位移、豎向位移和1#墩頂橫向彎矩最大響應(yīng)出現(xiàn)在地震波輸入后2.4 s左右。

表2　剛構(gòu)橋主梁主要節(jié)點(diǎn)最大位移響應(yīng)

表3　剛構(gòu)橋墩頂和墩底內(nèi)力最大響應(yīng)

圖3　主梁跨中縱向位移時(shí)程響應(yīng)曲線

圖4　主梁跨中豎向位移時(shí)程響應(yīng)曲線

圖5　1#墩頂橫向彎矩時(shí)程響應(yīng)曲線

圖6　主梁跨中橫向位移時(shí)程響應(yīng)曲線

圖7　1#墩頂橫向剪力時(shí)程響應(yīng)曲線

圖8　1#墩頂縱向彎矩時(shí)程響應(yīng)曲線

圖9　主梁跨中豎向位移時(shí)程響應(yīng)曲線

圖10　1#墩頂縱向剪力時(shí)程響應(yīng)曲線

由表2可知，地震波在橫橋方向輸入時(shí)，主梁位移響應(yīng)以橫橋方向?yàn)橹鳎v橋方向和豎向位移響應(yīng)很小，可以忽略不計(jì)；由表3可知，除2#墩墩頂扭矩較1#墩更大外，其余內(nèi)力均較1#墩更小；由圖6～圖8可知，主梁跨中橫向位移、1#墩頂橫向剪力和縱向彎矩最大響應(yīng)出現(xiàn)在地震波輸入后12.3 s左右。

由表2可知，地震波在豎向輸入時(shí)，主梁位移響應(yīng)以豎向?yàn)橹?，縱橋方向和橫橋方向位移響應(yīng)很小，可以忽略不計(jì)；由表3可知，除1#墩扭矩和墩頂縱向彎矩較2#墩更大外，其余內(nèi)力均較2#墩更小；由圖9～圖11可知，主梁跨中位移最大響應(yīng)出現(xiàn)在地震波輸入后4.5 s和11.5 s左右，1#墩頂縱向剪力最大響應(yīng)出現(xiàn)在地震波輸入后1.1 s左右，1#墩頂橫向彎矩最大響應(yīng)出現(xiàn)在地震波輸入后3.8 s左右。

4結(jié)論

(1)地震影響下，高墩連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)Σ煌较虻卣鸩ㄝ斎霑r(shí)響應(yīng)有所不同，因此，對(duì)結(jié)構(gòu)自振特性和地震波頻率成份的分布情況進(jìn)行詳細(xì)分析是研究的基礎(chǔ)。

(2)主梁跨中及墩梁連接處(支座)位移和內(nèi)力響應(yīng)較大，支座是高墩連續(xù)橋梁的薄弱環(huán)節(jié)，在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)和震后橋梁的檢查中，支座應(yīng)列為重點(diǎn)對(duì)象來對(duì)待。

圖11　1#墩頂橫向彎矩時(shí)程響應(yīng)曲線

(3)高墩連續(xù)橋梁的縱橋向位移在地震波三個(gè)方向輸入中響應(yīng)都是最大的，在設(shè)計(jì)高墩剛構(gòu)橋時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)縱橋向的抗壓和抗拉強(qiáng)度。

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【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

【中圖分類號(hào)】U442.5+5

[作者簡(jiǎn)介]鄭江偉(1977～)，男，本科，工程師，研究方向：橋梁施工、市政工程。

[定稿日期]2015-08-20