某大跨度鋼桁架橋抗震分析

李曉璐， 周 莉

(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072;2.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院 橋梁抗震創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，天津 300072)

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某大跨度鋼桁架橋抗震分析

李曉璐1， 周 莉2

(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072;2.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院 橋梁抗震創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，天津 300072)

大跨度多功能的地標(biāo)性橋梁建筑在城市橋梁建設(shè)中頻繁出現(xiàn),其抗震性能的分析計(jì)算成為控制設(shè)計(jì)的主要因素，傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)不考慮固定支座破壞的非線性力學(xué)性能，但該假定是不切合工程實(shí)際的。以某大跨度鋼桁架橋?yàn)槔捎肕IDAS CIVIL有限元軟件，分別采用地震反應(yīng)譜和非線性時(shí)程分析方法，對(duì)考慮固定支座破壞與否的情況下橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比分析，分析表明，考慮支座破壞分析后橋墩水平地震力大大減小，上部鋼桁架與橋墩均未屈服，摩擦擺支座位移符合規(guī)范要求，非線性時(shí)程分析結(jié)果更符合工程實(shí)際。

大跨度鋼桁架橋；抗震分析；抗震支座

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，橋梁建設(shè)已逐漸成為一個(gè)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的見證，城市橋梁對(duì)景觀的要求也在不斷提高[1]。某大跨度鋼桁架橋采用摩天輪與橋梁的組合結(jié)構(gòu)，形成輪橋合一的橋梁風(fēng)格，是橋梁建設(shè)的又一進(jìn)步。該工程結(jié)構(gòu)形式新穎，受力狀態(tài)極其復(fù)雜，橋下商業(yè)空間和步行街道常有大量觀光人群長(zhǎng)時(shí)間駐留，因此需要對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的抗震性能分析。

隨著人們?cè)诮Y(jié)構(gòu)抗震反應(yīng)分析領(lǐng)域理論和實(shí)踐的完善，靜力法、反應(yīng)譜法[2]和時(shí)程分析法3種不同的分析理論為目前主要的抗震分析手段。摩擦擺隔震支座目前在國(guó)內(nèi)的橋梁工程中應(yīng)用較少[3-5]，現(xiàn)對(duì)比固定支座破壞與未破壞時(shí)橋梁動(dòng)力性能的差異，并考慮摩擦擺支座的隔震性能，對(duì)大橋進(jìn)行了反應(yīng)譜分析及非線性時(shí)程分析。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

該大跨度鋼桁架橋梁工程位于濰坊市，大橋總長(zhǎng)540 m，跨徑分布為(5×35)+(45+50+50+45)+(5×35)，其中，主橋?yàn)闃蜷L(zhǎng)190 m，橋?qū)?7.7 m的鋼桁架橋，引橋?yàn)?5×35)+(5×35)鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁。

主橋跨徑布置滿足規(guī)劃河道雙孔通航凈空要求，同時(shí)考慮橋梁與摩天輪結(jié)構(gòu)的相對(duì)關(guān)系及基礎(chǔ)位置，主橋采用鋼桁架橋結(jié)構(gòu)，由上下兩層組成，上層為機(jī)動(dòng)車道，下層為非機(jī)動(dòng)車和人群及摩天輪活動(dòng)區(qū)。6號(hào)墩、8號(hào)墩為主墩，5號(hào)墩、9號(hào)墩為主引橋連接墩，均采用矩形實(shí)體墩柱?；A(chǔ)采用鉆孔灌注樁。引橋分為上層引橋以及下層引橋，上層引橋和下層引橋采用獨(dú)立分幅設(shè)計(jì)。

1.2 抗震設(shè)計(jì)方案

本橋橋墩較矮，剛度大，因此本橋抗震設(shè)計(jì)原則為：允許支座破壞，允許橋墩屈服，確保主梁整體穩(wěn)定，防止側(cè)向滑移落梁。

鋼桁架主橋支座具體布置為：5#墩與9#墩內(nèi)側(cè)采用MCBQZ-5000DX摩擦擺隔震支座，外側(cè)采用MCBQZ-8000DX摩擦擺隔震支座。6#墩和8#墩內(nèi)側(cè)采MCBQZ-17500DX摩擦擺隔震支座，外側(cè)采用MCBQZ-17500SX摩擦擺隔震支座，7#墩內(nèi)側(cè)采用MCBQZ-17500GD固定支座，外側(cè)采用MCBQZ-17500DX摩擦擺隔震支座。

2 抗震計(jì)算參數(shù)

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[6]和《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2001)[7]，抗震設(shè)防烈度為7度，動(dòng)峰值加速度為0.15g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，特征周期為0.55 s。橋梁抗震設(shè)防類別為甲類，抗震設(shè)防措施等級(jí)為8度。

工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)估報(bào)告，提供了常遇地震的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜E1(圖1)和罕遇地震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜E2(圖2)。

圖1 E1地震作用設(shè)計(jì)反應(yīng)譜

圖2 E2地震作用設(shè)計(jì)反應(yīng)譜

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T B02-01—2008)[8]的規(guī)定，本橋抗震設(shè)防類別為A類，需根據(jù)工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)估報(bào)告提供的場(chǎng)地特征，分別考慮常遇和罕遇地震兩水準(zhǔn)設(shè)防，分別為50 a超越概率10%，100 a超越概率5%。

根據(jù)工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)估報(bào)告給出的場(chǎng)地時(shí)程，常遇地震對(duì)應(yīng)的E1地震動(dòng)和罕遇地震對(duì)應(yīng)的E2地震動(dòng)的時(shí)程曲線如圖3、圖4所示。

圖3 E1地震加速度時(shí)程曲線

圖4 E2地震加速度時(shí)程曲線

3 主橋振型分析

借助MIDAS CIVIL軟件建模，建立主橋全橋模型，不考慮樁土作用，橋墩與基礎(chǔ)連接簡(jiǎn)化為彈性支撐。模型中橋面板采用板殼單元模擬，桁架桿件與橋墩采用框架單元模擬，隔震支座采用摩擦擺隔振單元模擬，通過(guò)設(shè)置隔振單元?jiǎng)偠鹊葏?shù)模擬固定支座破壞狀態(tài)，若固定支座未發(fā)生破壞則支座剛度設(shè)置為無(wú)限大(這里設(shè)置1×1010kN/m)。梁墩共計(jì)節(jié)點(diǎn)1 711個(gè)，單元4 859個(gè)，模型如圖5所示。根據(jù)圖5全橋有限元模型，分別考慮固定支座未破壞狀態(tài)和固定支座破壞后狀態(tài)，對(duì)該橋進(jìn)行了模態(tài)分析，并且以此動(dòng)力特性為基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)計(jì)算。

圖5 有限元計(jì)算模型

3.1 固定支座未破壞的振型

主橋的頻率值和振型圖描述詳見表1。由表1可知，全橋1階振型圖主要是主梁沿順橋向平動(dòng)，主橋較早的振型是以豎向?yàn)橹?，說(shuō)明主橋?qū)ωQ向地震動(dòng)作用較敏感。5至7階及9至20階振型圖均為主梁發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

3.2 固定支座破壞的振型

主橋的頻率值和振型圖描述詳見表1。由表1可知，主橋梁基頻為0.560 Hz；主橋的反對(duì)稱豎彎出現(xiàn)的比較早，自振頻率為3.730 Hz。該階振型對(duì)主橋的豎向地震反應(yīng)有很大的影響；主橋的扭轉(zhuǎn)振型最早出現(xiàn)在第七振型，自振頻率為4.260 Hz。

3.3 模態(tài)比較

由表1結(jié)果可知：考慮固定支座破壞后，固定支座發(fā)生破壞導(dǎo)致梁體位移增大，結(jié)構(gòu)變?nèi)?，振型模態(tài)顯著不同，橋梁自振周期顯著增加，第1階振型頻率增加300%，第2階振型頻率增加560%。

表1 部分振型參數(shù)

4 地震反應(yīng)譜分析與非線性時(shí)程分析

4.1 地震反應(yīng)譜分析

采用反應(yīng)譜法對(duì)多遇地震下主橋地震反應(yīng)進(jìn)行分析。橋墩和支座之間、支座和主梁之間采用彈性連接。反應(yīng)譜的組合方法為SRSS。在E1地震波作用下，由反應(yīng)譜計(jì)算得到的墩底反力大小如表2所示。5#墩、9#墩內(nèi)側(cè)支座豎向承載力為5 000 kN，外側(cè)支座豎向承載力為8 000 kN；6#墩、7#墩和8#墩支座豎向承載力為17 500 kN，其中，支座非滑動(dòng)方向水平承載力為支座豎向承載力10%。由表2可知，支座水平力遠(yuǎn)均大于支座摩阻力，固定支座將發(fā)生破壞，橋梁進(jìn)入非線性工作狀態(tài)。所以，采用橋梁反應(yīng)譜分析中不考慮固定支座的破壞下橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析是不夠準(zhǔn)確的，而由于設(shè)計(jì)中地震反應(yīng)譜分析屬于彈性地震反應(yīng)分析方法，因此需用非線性時(shí)程分析方法考慮真實(shí)的橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。

表2 E1反應(yīng)譜作用下橋墩內(nèi)力

4.2 地震非線性時(shí)程分析

工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)估報(bào)告給出的地震波E1和E2分別沿X向(縱橋向)、Y向(橫橋向)、Z向(豎向)3個(gè)方向輸入。E1、E2作用下橋墩內(nèi)力如表3所示，抗震支座均達(dá)到其水平承載力?；炷翗蚨站辞Ｓ杀?可知，不同桿件在E1、E2地震作用下的應(yīng)力相差很大。下層弦桿與縱橫梁應(yīng)力均大于對(duì)應(yīng)上層弦桿與縱橫梁應(yīng)力值。剪刀撐應(yīng)力最大值出現(xiàn)在中跨6#邊墩與8#邊墩附近。主梁應(yīng)力最大值出現(xiàn)在下層橫梁與7#中墩接觸附近；E1、E2地震作用下最大應(yīng)力分別為32.9 MPa和68.9 MPa，均小于340 MPa，滿足《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 025—86)[9]。

由表5可知，支座最大水平相對(duì)位移分別為128 mm和265 mm，均小于300 mm，滿足《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T B02-01—2008)的規(guī)定。

表3 E1波 E2波地震作用下橋墩最大內(nèi)力

表4 E1波E2波地震作用下鋼桁架最大內(nèi)力 MPa

表5 E1波E2波地震作用下摩擦擺支座最大位移 mm

5 結(jié)論

以某大跨度鋼桁架橋?yàn)槔?，探討了鋼桁架橋梁在抗震分析中主要的理論和分析方法，?duì)該橋進(jìn)行了反應(yīng)譜分析和非線性時(shí)程分析，總結(jié)相應(yīng)的抗震分析設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為同類的兩階段分析提供一定的實(shí)際工程數(shù)值分析參考，具體主要結(jié)論如下：

(1)該大跨度鋼桁架橋抗震設(shè)計(jì)理念是合理的，即允許支座破壞，允許橋墩屈服，確保主梁整體穩(wěn)定，防止落梁。

(2)在常遇地震作用下，支座均達(dá)到其水平承載力而發(fā)生屈服或滑移。在常遇和罕遇地震作用下，鋼桁架與橋墩均在彈性范圍內(nèi)工作，支座位移滿足規(guī)范要求。

(3)支座邊界條件模擬的不同導(dǎo)致反應(yīng)譜分析和非線性時(shí)程分析結(jié)果存在一定差異，非線性時(shí)程分析結(jié)果更符合工程實(shí)際。

[1]荀浩，周衛(wèi)濱，李建中.自錨式懸索橋縱向地震響應(yīng)控制分析[J]. 石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，27(2)：1-5.

[2] 李自林，馬嘉蓬，劉治德.非對(duì)稱矮塔斜拉橋橋塔抗震性能分析[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，26(4)： 15-19.

[3] 陳永祁，楊風(fēng)利，王琦，等.摩擦擺隔震橋梁的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].工業(yè)建筑，2009，393：256-261.

[4] 逯久喜，逯宗典，劉林.摩擦擺式抗震支座在大跨鐵路橋梁中的應(yīng)用[J].國(guó)防交通工程與技術(shù)，2012，10(4)：75-77.

[5] 范永芳.摩擦擺支座在橋梁抗震中的應(yīng)用及分析[J].鐵道建筑技術(shù)，2014，6：29-33.

[6] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50011—2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[7] 國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB 18306—2015 中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[8] 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.JTG/T B02-01—2008 公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則[S].北京：人民交通出版社，2008.

[9] 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.JTJ 025—86 公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，1986.

Seismic Analysis of A Large-span Steel Truss Bridge

Li Xiaolu1， Zhou Li2

(1.School of Civil Engineering, Tianjin University,Tianjin 300072, China；2.Bridge Seismic Innovation Team,Tianjin Municipal Engineering Design & Research Institute,Tianjin 300072, China)

In the urban bridge construction, the multifunctional large span bridges have appeared as the landmarks frequently. The analysis of bridge seismic performance has become a major factor in designing. The assumption of the tradition bridge design ignoring the nonlinear ability of the bearing destruction is not realistic. Spectrum analysis and the time-history analysis for the large-span steel truss bridge is done and the stress of the upper steel truss has been checked in this paper by MIDAS CIVIL. The structure response has been compared before and after the destruction of the FPS bearing. According to the analysis, the response force of the pier has been largely decreased which is considered the bearing destruction. Seismic design such as seismic bearings is effective and the seismic responses of both piers and truss are much more reduced and the nonlinear analysis is more reliable .

large-span steel truss bridge;seismic analysis;seismic bearings

2015-10-08 責(zé)任編輯:車軒玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.04.05

李曉璐(1990-)，男，碩士研究生,主要從事結(jié)構(gòu)抗震的研究。E-mail: 283288780@qq.com

U442.5+5

A

2095-0373(2016)04-0028-05

李曉璐，周莉.某大跨度鋼桁架橋抗震分析[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2016,29(4):28-32.