鋼管混凝土格構(gòu)式高墩的地震響應(yīng)分析

何 天 舟

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

鋼管混凝土格構(gòu)式高墩的地震響應(yīng)分析

何 天 舟

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

介紹了鋼管混凝土橋墩的優(yōu)越性，通過建立某鋼管混凝土格構(gòu)式超高墩矮塔斜拉橋模型，對該橋進行了地震時程分析，得出了一些有應(yīng)用價值的結(jié)論，為類似橋梁的抗震設(shè)計提供了依據(jù)。

橋墩，鋼管混凝土，地震作用，時程分析法

0 引言

本文橋梁因為需要翻越一個巨大黃土深壑，為將橋墩置于緩坡穩(wěn)定地段，不可避免地需要采用高墩大跨橋梁結(jié)構(gòu)。調(diào)查表明，在已建成及正在設(shè)計規(guī)劃中的高等級公路中，墩高超過40 m的高墩橋梁占橋梁總數(shù)的40%以上[1]。從橋梁結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性和可行性來看，傳統(tǒng)的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)已很難解決深大溝壑的跨越問題。近些年逐漸發(fā)展的鋼管混凝土式橋墩因其優(yōu)越的綜合特性而受到關(guān)注。鋼管混凝土是一種在鋼管中填充混凝土，鋼管及其核心混凝土共同承受外荷載作用的構(gòu)件形式[2]。鋼管混凝土的工作實質(zhì)在于鋼管及其核心混凝土間的相互作用和協(xié)同互補。鋼管對核心混凝土的約束作用，使混凝土材料強度得以提高，塑性和韌性性能大為改善。同時，混凝土的存在可以延緩或阻止鋼管發(fā)生內(nèi)凹或外凸的局部屈曲[3]。鋼管混凝土格構(gòu)式應(yīng)用于橋墩的應(yīng)用實例還較少，故有必要對這一新型結(jié)構(gòu)的動力特性進行研究。

1 鋼管混凝土橋墩簡介

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)較多應(yīng)用于拱橋結(jié)構(gòu)，將鋼管混凝土結(jié)構(gòu)用作橋梁的墩柱,是一個創(chuàng)新的設(shè)計,其優(yōu)越性主要表現(xiàn)在:

1)能夠充分發(fā)揮鋼管混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強度大的優(yōu)勢;2)施工便捷,速度快,鋼管本身既是承重結(jié)構(gòu)又是外模,且具有工業(yè)化快速安裝施工的優(yōu)勢;3)經(jīng)濟效益顯著。同鋼筋混凝土與鋼結(jié)構(gòu)相比,在保持自重相近和承載力相同的條件下,可節(jié)省鋼材約50%，自重大大減小，既能夠減小結(jié)構(gòu)尺寸,同時又能取得輕盈美觀的視覺效果;4)延性與耗能特性良好[4]。

2 地震反應(yīng)分析方法

結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析分為兩種：一種是以地震運動為確定過程的確定性地震反應(yīng)分析，另一種是以地震運動為隨機過程的概率性地震反應(yīng)分析。目前概率性地震反應(yīng)分析方法還不成熟，世界各國的橋梁抗震設(shè)計規(guī)范中普遍采用確定性地震反應(yīng)分析方法。在確定性的地震反應(yīng)分析中，是把研究的橋梁結(jié)構(gòu)作為一個系統(tǒng)，在采用有限元法時，即把結(jié)構(gòu)處理為若干離散單元在有限個節(jié)點處連接起來的一個集合體，而把地面運動看成是對系統(tǒng)的輸入，系統(tǒng)的輸出即是地震反應(yīng)。結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析方法的演變依賴于地震理論的發(fā)展。地震理論也稱地震作用理論，它研究地震時地面運動對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動態(tài)效應(yīng)。隨著地震作用理論的演變，產(chǎn)生了三種確定性地震反應(yīng)分析的方法，即靜力法，反應(yīng)譜法和動態(tài)時程分析法[5]。每一種方法都有自身的使用限制條件，對于本橋大跨高墩的工程背景，采用動態(tài)時程分析方法對橋墩的進行分析，能夠更準確的分析出控制截面的內(nèi)力情況。

3 工程概況及計算模型

某橋橋高170 m左右，主橋孔跨布置為(72+174+324+174+72)m雙塔雙索面鋼桁梁矮塔斜拉橋，斜拉索扇形布置，梁上索距12 m，塔上索距2.0 m；橋面全寬15 m，該斜拉橋采用墩塔梁固結(jié)體系。橋墩采用鋼管混凝土墩。采用midas-Civil橋梁專用有限元軟件對全橋建立計算模型。用梁單元模擬鋼管混凝土橋墩和索塔，采用桁架單元模擬斜拉索。為了敘述方便，左側(cè)的鋼管混凝土橋墩為1號墩，右側(cè)的為2號墩(如圖1，圖2所示)。

4 地震響應(yīng)分析實現(xiàn)方法

使用SIMQKE軟件人工擬合一條適合于本橋場地特性等參數(shù)的地震加速度時程曲線，持續(xù)時間20 s，時間間隔0.02 s，峰值加速度0.15g。規(guī)范要求對于使用反應(yīng)譜逆向擬合的時程曲線，如果使用三條的話，取其中的最大反應(yīng)曲線進行分析。故羅列的即最大反應(yīng)時程曲線。第一部分內(nèi)容為研究豎向地震作用對于鋼管混凝土橋墩控制界面的內(nèi)力影響，故分兩種工況對比分析，工況一：豎向與縱向同時輸入地震作用，工況二：只沿縱向輸入地震作用。由于本橋墩為格構(gòu)式橋墩，每一個橋墩有四個柱肢，當?shù)卣疠斎虢嵌炔煌瑫r，相對于單柱墩來講會產(chǎn)生不同的地震響應(yīng)。故第二部分內(nèi)容為研究不同地震動輸入角度對橋墩的影響。分別設(shè)置沿0°(即縱向輸入)，30°，45°，60°，75°，90°(即橫橋向輸入)，結(jié)果中提取30°和60°兩個內(nèi)力變化最大的柱肢結(jié)果。即最不利輸入方向下的結(jié)果，分析不同輸入角度對橋墩地震響應(yīng)。

5 結(jié)果及分析

1號與2號墩構(gòu)造形式與位置分布完全對稱，經(jīng)驗證其內(nèi)力變化情況與趨勢相同，限于篇幅，僅羅列1號墩的結(jié)果。而墩頂作為重要控制截面，圖3，圖4為不同工況下截面的控制內(nèi)力：

1)豎向和縱向同時激勵與單獨縱向激勵下1號墩的內(nèi)力時程曲線。

由圖3，圖4可知在考慮豎向地震的組合下，比不考慮豎向輸入的情況下，1號墩的墩頂剪力與彎矩分別增大了18%，27%，通常豎向地震動對墩柱的軸力影響較大，而彎矩和剪力由水平向地震輸入控制，但對于本橋這一高墩情況，彎矩和剪力都增幅較大?？梢娯Q向地震的參與對結(jié)構(gòu)的影響是顯著的，故在進行本類橋梁的地震響應(yīng)分析時有必要考慮豎向地震動的組合影響。

2)不同輸入角度下控制截面的內(nèi)力時程曲線。

a.30°輸入方向作用的結(jié)果。

b.60°輸入方向作用的結(jié)果。

由圖5～圖8可以看到，30°對于1號墩的墩頂剪力和彎矩增幅，分別為16%，13%，相比于30°方向，60°方向的地震輸入對墩的內(nèi)力影響要激烈的多，超過30%以上，影響是顯著的。原因可能是60°方向的地震輸入最大程度的激發(fā)了橋梁的橫向振型，使橋墩內(nèi)力發(fā)生較大變化。可見在這種多柱肢的鋼管混凝土高墩，考慮不同角度的地震輸入是很必要的，確定出一個最不利的地震輸入方向，然后再進行地震輸入組合，這樣操作對于地震響應(yīng)分析就比較完整且全面。

6 結(jié)語

1)建立了鋼管混凝土格構(gòu)式超高墩矮塔斜拉橋的分析計算模型，為今后類似橋梁的計算工作奠定了基礎(chǔ)。

2)鋼管混凝土格構(gòu)式超高墩雖然整體屬于柔性結(jié)構(gòu)，但考慮到鋼管對混凝土的套箍作用，使混凝土的極限應(yīng)力大大增強，抗震性能優(yōu)越。

3)豎向地震的作用在鋼管混凝土橋墩的動力分析中需要考慮，其對橋墩控制截面的內(nèi)力影響是顯著的，故在進行后期驗算時需要同時考慮帶有豎向地震方向的組合。

4)對于彎橋通常需要進行不同地震輸入方向的地震響應(yīng)分析，但對于鋼管混凝土格構(gòu)式橋墩，因為其柱肢較多，故建議也進行不利地震輸入方向的計算。本文的結(jié)果是地震偏角對墩部的各個柱肢控制截面內(nèi)力影響比較大。但需根據(jù)具體布置形式分別驗算。最后組合各個地震響應(yīng)荷載工況，計算內(nèi)力最大的柱肢截面的控制內(nèi)力。

5)對鋼管混凝土格構(gòu)橋墩進行了部分地震響應(yīng)分析，為以后的工程實例提供了一個參考。

[1] 占玉林.鋼管混凝土組合格構(gòu)柱高墩大跨連續(xù)鋼構(gòu)橋非線性研究[J].四川建筑科學(xué)研究，2009，35(6)：38-41.

[2] 吳慶雄，黃育凡，陳寶春.鋼管混凝土組合桁架——格構(gòu)墩輕型橋梁非線性研究[J].工程力學(xué)，2015，32(12)：90-98.

[3] 李 莉.超長鋼管混凝土格構(gòu)柱極限承載力試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2015，43(sup)：488-492.

[4] 歐智菁.鋼管混凝土格構(gòu)柱發(fā)展和研究[J].福州大學(xué)學(xué)報，2008，36(4)：585-591.

[5] 陳敏海.鋼管混凝土高墩大跨連續(xù)鋼構(gòu)橋地震響應(yīng)分析[D].長沙:長沙理工大學(xué)，2010.

On earthquake response analysis of concrete filled steel tube lattice high pier

He Tianzhou

(CollegeofCivilEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China)

The paper introduces the advantages of the concrete filled steel tube bridge pier, undertakes the seismic time-history analysis of the bridge by establishing some concrete filled steel tube lattice ultra-high pier low-pylon cable-stayed bridge model, and achieves valuable conclusion, so as to provide some reference for the seismic design for similar bridges.

bridge pier, steel tube concrete, seismic role, time-history analysis method

1009-6825(2017)05-0190-02

2016-12-01

何天舟(1990- )，男，在讀碩士

U442.55

A