矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋動力特性與地震響應(yīng)分析

黃國雄

(福州市規(guī)劃設(shè)計研究院　福建福州　350108)

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矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋動力特性與地震響應(yīng)分析

黃國雄

(福州市規(guī)劃設(shè)計研究院福建福州350108)

以福州金山大橋復(fù)線橋主跨矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋為研究對象，通過建立midas空間結(jié)構(gòu)模型，計算分析了矮墩剛構(gòu)橋的動力特性，同時比較了下部結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對動力特性的影響。并用反應(yīng)譜分析了該橋的地震響應(yīng)。

矮墩剛構(gòu)；動力特性；地震相應(yīng)；參數(shù)分析

0　引言

在工程實踐中，連續(xù)剛構(gòu)橋憑借其施工方便，適應(yīng)能力強等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用。設(shè)計連續(xù)剛構(gòu)橋時，多將橋墩做成柔性高墩，減小順橋向的抗推剛度，以改善結(jié)構(gòu)在溫度、收縮、徐變、地震等作用下的受力性能。但是，實際上往往由于路線走向、相交道路的標(biāo)高、通航要求或景觀要求，使得連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩墩身高度較小，成為了矮墩剛構(gòu)橋[1]。矮墩剛構(gòu)橋由于抗推剛度大，柔性小，墩頂和墩底要承受較大的內(nèi)力，這種結(jié)構(gòu)的橋墩在地震作用下的內(nèi)力往往是影響結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要節(jié)點[2]。本文通過對福州市金山大橋復(fù)線橋主橋的抗震分析，希望對今后同類橋型設(shè)計提供一些參考和借鑒作用。

1　工程概況

金山大橋跨越福州閩江，南與金山大道相連，北接上浦路，為福州市區(qū)連接倉山區(qū)與臺江區(qū)的重要通道之一。新建金山大橋復(fù)線橋位于原金山大橋下游，與老橋間距1m，主橋為變高度混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁，孔跨布置為60+110+60=230m，采用單箱雙室斜腹板箱形截面，下緣采用圓曲線變化，曲線半徑為499.23m，主橋支點梁高5.2m，跨中梁高2.4m。主梁頂板寬19.5m,底板寬為9.0m～11.175m，兩側(cè)各懸臂3.5m。由于受老橋的標(biāo)高影響，為保證城市的綜合景觀，新舊橋橋面標(biāo)高基本一樣，因此主墩墩身采用矩形實心薄壁橋墩，墩高9.5m，墩身橫橋向?qū)挾?.0m，順橋向?qū)挾?.4 m，采用C50混凝土。墩身順橋向兩側(cè)，各設(shè)置33根JL32高強度精軋螺紋預(yù)應(yīng)力鋼筋，詳見圖1。

2　動力特性分析

2.1動力計算模型

本橋采用MidasCivil 2012軟件建立橋梁結(jié)構(gòu)空間模型進行反應(yīng)譜抗震分析，主梁、橋墩和承臺、樁基均采用空間梁單元模擬。

為使橋梁結(jié)構(gòu)動力計算模型能正確反映結(jié)構(gòu)的實際情況，從而保證結(jié)構(gòu)振型及在E1和E2地震作用下引起內(nèi)力能得到正確反映．一般情況下，橋梁結(jié)構(gòu)的動力計算模型應(yīng)滿足下列要求：

(1)計算模型中的梁體和墩柱可采用空間桿系單元模擬， 單元質(zhì)量可采用集中質(zhì)量代表；墩柱和梁體的單元劃分應(yīng)反映結(jié)構(gòu)的實際動力特性；

(2)支座單元應(yīng)反映支座的力學(xué)特性：對于連續(xù)剛構(gòu)橋墩梁固結(jié)邊界條件采用了 “剛性連接”，邊跨支座采用了”彈性連接”中的“一般連接 ”，其SDX、SDY、SDZ、SRX、SRY、SRZ等剛度使用支座的實際剛度[3]；

(3)混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比可取為0.05；

(4)地基的剛度：應(yīng)考慮用土彈簧模擬樁土效應(yīng)[4]，其支撐剛度采用《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》附錄P中的m值法計算。具體的有限元模型如圖2。

2.2動力特性計算

用子空間迭代方法計算了結(jié)構(gòu)模型的自振特性，取前七階周期和振型特征列于表1,振型圖見圖3～圖9。

表1　結(jié)構(gòu)模型的自震周期和振型特點

圖3一階模態(tài)圖4二階模態(tài)

圖7五階模態(tài)圖8六階模態(tài)

綜上分析可以看出，由于主墩墩高較小，剛度較大，邊墩采用柱墩，墩高稍高，剛度相對小，結(jié)構(gòu)前面兩階振型主要表現(xiàn)為主梁對稱和反對稱豎彎；二階振型中樁基的剛度也對其產(chǎn)生貢獻。在第三、四階的振型中，主要由邊墩的對稱和不對稱側(cè)彎帶動主梁的橫向?qū)ΨQ和不對稱彎曲。第五、六階振型主要是邊墩的縱彎。第七階中出現(xiàn)了剛構(gòu)主墩的側(cè)向彎曲引起的主梁側(cè)向?qū)ΨQ彎曲。以上現(xiàn)象說明了，在該類橋梁中，主墩的面內(nèi)外剛度均比較大，總體振動不明顯，出現(xiàn)的振型也偏后；而主梁的縱向剛度、邊墩的縱橫向剛度均比較小，因此低階振型均表現(xiàn)出它們的縱橫向振動。

2.3下部結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對動力特性的敏感性分析[3]

本文試調(diào)整了下部結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)，分析其對該類結(jié)構(gòu)動力特性的影響程度。

(1)墩身高度變化對動力特性的影響

在原設(shè)計的其他結(jié)構(gòu)及尺寸都不變的基礎(chǔ)上，調(diào)整承臺標(biāo)高，改變墩身高度，分別按8m、11m。分析后的周期對比如表2。

表2　墩高變化對動力特性的影響對比表

以上對比分析可以看到:

(1)墩高從9.5m增加到11m，前面7階的陣型均沒有改變，還是表現(xiàn)為矮墩剛構(gòu)的動力特性。第二階是主梁的一階反對稱豎彎，主墩的縱向彎曲參與了該振型，由于墩高增加，剛度減小，對本階的周期影響明顯，也將改善動力作用下主墩的縱向受力。除此之外的其他幾階振型，由于主墩參與的作用不明顯，墩高對周期也影響不大。

(2)當(dāng)主墩墩高繼續(xù)減小到8m時，主墩的剛度增大明顯，前面六階基本上為主梁和邊墩的振動為主，只有在第七階時主墩的側(cè)向彎曲參與其中，墩的剛度增大，使得周期有一定的縮短。

3　墩身順橋向厚度變化對動力特性的影響

在原設(shè)計其他結(jié)構(gòu)及尺寸都不變的基礎(chǔ)上，調(diào)整墩身順橋向截面厚度，分析結(jié)構(gòu)動力特性，結(jié)果詳見表3。

表3　墩身厚度變化對動力特性的影響對比表

以上對比分析可以看到，墩身厚度從2.4m增加到2.8m或減小到2.0m，前面7階的陣型中，除了主梁及邊墩一階反對稱側(cè)彎振型的順序略微變化外，其余振型均沒有改變。墩身厚度增加或減小16.7%，結(jié)構(gòu)的一階自振周期相應(yīng)縮短或延長約5%。墩身截面尺寸的改變對調(diào)整結(jié)構(gòu)的自振周期有一定的作用，但不很顯著，此時的截面擬定應(yīng)結(jié)合靜力狀態(tài)分析的要求共同考慮。

4　地震響應(yīng)分析[4]

4.1抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)及計算參數(shù)

本工程主要位于福建省福州市臺江區(qū)，抗震設(shè)防烈度7度區(qū)，設(shè)計基本地震加速度為0.10g，設(shè)計地震分組屬第二組，工程場地類別為Ⅲ類，地震動反應(yīng)譜特征周期值為0.55s。

依據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》(CJJ 166-2011)，本橋抗震設(shè)防類別屬于丙類。

設(shè)計反應(yīng)譜參數(shù)取值如下：

Smax=2.25A

式中，T為結(jié)構(gòu)自振周期，Tg為特征周期，γ為反應(yīng)譜下降段的衰減指數(shù)，阻尼比為0.05時取0.9。η1為自5倍特征周期至6s區(qū)段直線下降段下降斜率調(diào)整系數(shù)，阻尼比為0.05時取0.02，η2為結(jié)構(gòu)的阻尼調(diào)整系數(shù)，阻尼比為0.05時取1.0。

E1地震作用下：水平向地震動峰值加速度為0.10g，且考慮地震調(diào)整系數(shù)0.46。E2地震作用下：水平向地震動峰值加速度為0.10g，且考慮地震調(diào)整系數(shù)2.2。

采用多振型反應(yīng)譜分析方法對金山大橋主橋分別在E1和E2地震作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)進行計算。在反應(yīng)譜分析中，為保證計算精度，按振型疊加法計算結(jié)構(gòu)最大地震響應(yīng)時，考慮的振型階數(shù)均在計算方向獲得90%以上有效質(zhì)量，振型組合采用CQC法。

4.2E1、E2地震響應(yīng)分析

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細則》(JTG/TB02一01—2008)和《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》(CJJ166—2011)，最不利地震響應(yīng)內(nèi)力與成橋階段內(nèi)力進行組合。由于本橋兩個邊墩結(jié)構(gòu)一樣，高度基本一致，內(nèi)力差不多；兩個主墩墩結(jié)構(gòu)一樣，高度基本一致，內(nèi)力差不多。表4、表5、表6僅示出一個邊墩和主墩的驗算結(jié)果。

表4　橋墩和樁基抗震驗算結(jié)果(E1地震作用)

注：My為屈服彎矩。

表5　橋墩和樁基抗震驗算結(jié)果(E2地震作用)

注：Meq為等效屈服彎矩

表6　延性墩墩頂位移驗算(E2地震作用，橫橋向)

注：Φy為截面屈服曲率，Φu為截面極限曲率，Δd為墩頂位移，Δu為墩頂容許位移

表7　延性墩抗剪強度驗算(E2地震作用，橫橋向)

綜上分析可知：

E1地震作用下，主墩和邊墩最不利截面彎矩小于截面初始屈服彎矩，樁基最不利截面彎矩小于截面初始屈服彎矩，滿足抗震性能要求。

在E2地震作用下，主墩及其樁基最不利截面彎矩小于截面等效屈服彎矩；邊墩及其樁基縱橋向最不利截面彎矩小于截面等效屈服彎矩。邊墩橫橋向進入延性，墩頂位移小于墩頂容許位移，按能力保護構(gòu)件驗算，邊墩橫橋向抗剪強度安全系數(shù)大于1，均滿足抗震性能要求。

5　結(jié)論

大跨薄壁矮墩剛構(gòu)橋的主墩剛度大，體系的前面幾階振型以主梁和邊墩的振動為主，主墩參與的振型偏后，改變墩身高度對結(jié)構(gòu)動力特性的影響要比改變墩身厚度的影響明顯一些。

在E2地震作用下，本橋的下部結(jié)構(gòu)滿足抗震要求。通常都比較重視主墩的抗震設(shè)計，但是邊墩的受力也是不能忽視，特別是根據(jù)各種實際情況，邊墩墩形、剛度和主墩有較大區(qū)別的情況下，也應(yīng)做好邊墩的抗震設(shè)計。

[1]韓麗麗，寧貴霞，侯佳音.高、矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋模態(tài)與地震響應(yīng)對比分析[J].中國科技博覽，2009(32)：113-114.

[2]陳禮榕.大跨矮墩連續(xù)剛構(gòu)地震響應(yīng)分析[J].四川建筑，2010,6：122-123.

[3]趙旭升.地震響應(yīng)下矮墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋下部結(jié)構(gòu)受力分析[J].交通世界，2014,7：127-128.

[4]黃國雄.下承式連續(xù)梁拱組合式橋梁動力特性與地震響應(yīng)[D].福州：福州大學(xué)，2009.

Dynamic characteristics and seismic response analysis of the short pier continuous rigid frame bridge

HUANGGuoxiong

(Fuzhou Planning Design & Research Institute,Fuzhou 350108)

Taking the main span and hort pier continuous rigid frame bridge of Fuzhou Jinshan double-line bridge as the research object, dynamic characteristics of the short pier continuous rigid frame bridge were calculated and analyzed, Then the influence of lower structural parameters on dynamic characteristics was allso analyzed ,and the bridge seismic response was analyzed by the response spectrum, through the establishment of MIDAS spatial structure model.

Short pier rigid frame; Dynamic characteristics; Seismic response; Parameter analysis

黃國雄(1985.06-)，男，工程師。

E-mail:723750679@qq.com

2016-04-29

U443.2

A

1004-6135(2016)06-0092-04