不同地震動(dòng)情況下的大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋梁響應(yīng)分析

黃 輝

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 四川成都610031)

我國(guó)處于地震頻發(fā)地區(qū)，地震發(fā)生頻率高，地震震級(jí)大，對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞是巨大的。對(duì)于處于交通咽喉位置的橋梁結(jié)構(gòu)，如果設(shè)計(jì)未能充分考慮地震作用帶來(lái)的危害，可能發(fā)生地震作用下橋梁垮塌等事故，從而破壞交通線路影響抗震救災(zāi)工作[1-2]。因此，對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析計(jì)算具有重要的意義。本文以一座大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)檠芯繉?duì)象，采用有限元方法，建立用于動(dòng)力分析的桿系模型，對(duì)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算和分析，為類似橋型的抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

犍為岷江二橋是一座特大型橋梁，橋梁全長(zhǎng)2 029m。主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，橋跨布置為118m+ 215m+ 118m，主梁采用單箱單室截面，全寬13m，箱梁高度由橋墩處13.75m按照1.6次曲線變化至跨中處及端部4.6m。同時(shí)，箱梁頂?shù)装寮案拱搴穸染芍ё幭蚩缰刑庍f減，頂板厚度在0.3～0.5m變化，底板厚度在0.32～1.46m變化，腹板厚度在0.5～0.7m變化。主墩墩身高度約30.0m，采用鋼筋混凝土雙肢薄壁墩身，承臺(tái)接鉆孔灌注樁基礎(chǔ)；每個(gè)墩身雙肢間凈距6.0m，每肢縱向厚度2.0m，橫向?qū)挾?.5m，兩側(cè)為圓端型；承臺(tái)采用整體式，順橋向長(zhǎng)16.0m，橫橋向?qū)?0.0m，厚5.5m；基礎(chǔ)按嵌巖樁設(shè)計(jì)，一個(gè)承臺(tái)采用18根直徑2.5m鉆孔灌注樁。主橋總體布置如圖1所示。

圖1 主橋總體布置(單位:m)

2 計(jì)算模型

采用大型有限元軟件MidasCivil建立岷江二橋的動(dòng)力計(jì)算模型。計(jì)算模型中主梁、薄壁墩采用梁?jiǎn)卧M，主梁線形根據(jù)每個(gè)截面的形心軸確定，全橋共劃分單元196個(gè)。模型邊界條件為: 主墩底完全固結(jié)，邊跨端部采用彈性連接剛接，約束豎向、橫向和繞橋縱軸向的位移，主墩和主梁連接部位采用剛性連接。模型參數(shù)取值為：主梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)C60，彈性模量3.6×104MPa，泊松比0.2，容重25kN/m3；主墩混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50，彈性模量3.45×104MPa，泊松比0.2，容重25kN/m3，重力加速度g=9.81m/s2.主橋動(dòng)力計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 主橋有限元模型

3 結(jié)果分析

根據(jù)動(dòng)力計(jì)算模型，采用多重Ritz向量法計(jì)算得到大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的動(dòng)力特性，共計(jì)算了主橋前50階振型，前10階振型的周期、頻率和振型特征如表1所示，圖3給出了前10階的振型圖。從表1和圖3可以看出：岷江二橋的結(jié)構(gòu)基頻為0.729 0Hz，小于一般連續(xù)剛構(gòu)體系的基頻，這表明雙肢薄壁墩能夠在一定程度上使得橋梁整體結(jié)構(gòu)具有柔性特征；前10階振型中有5階為縱向偏移，其中第2階縱橋向質(zhì)量參與系數(shù)為21.16 %，由于橋墩高度較大，有可能在順橋向產(chǎn)生較大塑形轉(zhuǎn)角，應(yīng)加強(qiáng)塑性鉸區(qū)域的設(shè)計(jì)和處理。

表1 模型前10階振型動(dòng)力特性及振型特點(diǎn)

第1階振型

第2階振型

第3階振型

第4階振型

第5階振型

第6階振型

第7階振型

第8階振型

第9階振型

第10階振型圖3 模型前10階振型示意

本文采用時(shí)程法(線性)分析連續(xù)剛構(gòu)橋的地震響應(yīng)。岷江二橋橋址處地震基本烈度7級(jí)，50年超越概率10 %地震動(dòng)加速度為0.095g，場(chǎng)地類別為II類中軟場(chǎng)地類型，因此須按8度設(shè)防，采用EI-Centro波作為地震動(dòng)輸入。同時(shí)，對(duì)EI-Centro波進(jìn)行修正，使得水平方向的地震波加速度峰值為0.3g，對(duì)于其周期則不予修正。輸入的EI-Centro地震波加速度時(shí)程曲線如圖4所示。

圖4 地震波加速度時(shí)程曲線

在一致激勵(lì)情況下，考慮地震運(yùn)動(dòng)方向的多維特性，輸入的地震波激勵(lì)為：縱橋向+豎向，縱橋向?yàn)樗降卣鸩?，豎向?yàn)樨Q向地震波，豎向波峰值為水平波的2/3。圖5給出了時(shí)程法求解的控制截面響應(yīng)——24#主墩左肢和25#主墩右肢底部順橋向彎矩響應(yīng)。

(a)X方向地震動(dòng)24#主墩左肢響應(yīng)

(b)X方向地震動(dòng)25#主墩左肢響應(yīng)

(c)Z方向地震動(dòng)24#主墩左肢響應(yīng)

(d)Z方向地震動(dòng)25#主墩左肢響應(yīng)

(e)X-Z方向地震動(dòng)24#主墩左肢響應(yīng)

(f)X-Z方向地震動(dòng)25#主墩左肢響應(yīng)圖5 地震波加速度時(shí)程曲線

從圖5中可以看出，在X方向地震動(dòng)單獨(dú)作用時(shí)，24#主墩左肢的最大彎矩響應(yīng)峰值為1.080×104kN·m，發(fā)生在3.230s；25#主墩右肢的最大彎矩響應(yīng)峰值為1.080×104kN·m，發(fā)生在3.230s。在Z方向地震動(dòng)單獨(dú)作用時(shí)，24#主墩左肢的最大彎矩響應(yīng)峰值為8.086×103kN·m，發(fā)生在5.480s；25#主墩右肢的最大彎矩響應(yīng)峰值為8.067×103kN·m，發(fā)生在5.480s。而當(dāng)考慮多維地震動(dòng)時(shí)，24#主墩左肢的最大彎矩響應(yīng)峰值為1.108×104kN·m，發(fā)生在2.490s；25#主墩右肢的最大彎矩響應(yīng)峰值為1.740×104kN·m，發(fā)生在2.240s?？梢钥闯觯嗑S地震動(dòng)情況下，橋梁結(jié)構(gòu)的各階振型被直接或間接的激發(fā)，表現(xiàn)出空間耦合特征。對(duì)于不同的地震動(dòng)情況，橋梁關(guān)鍵截面響應(yīng)峰值和對(duì)應(yīng)時(shí)間均不同。因此，在多維地震激勵(lì)時(shí)，應(yīng)考慮到與一維地震激勵(lì)情況下結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的不同，合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

本文以一座連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ瘫尘?，通過(guò)建立其有限元模型，對(duì)岷江二橋的動(dòng)力特性進(jìn)行了計(jì)算，并采用時(shí)程法(線性)對(duì)其地震響應(yīng)進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論。

(1)岷江二橋的結(jié)構(gòu)基頻為0.729 0Hz，小于一般連續(xù)剛構(gòu)體系的基頻，這表明雙肢薄壁墩能夠在一定程度上使得橋梁整體結(jié)構(gòu)具有柔性特征；前10階振型中有5階為縱向偏移，由于橋墩高度較大，有可能在順橋向產(chǎn)生較大塑形轉(zhuǎn)角，應(yīng)加強(qiáng)塑性鉸區(qū)域的設(shè)計(jì)和處理。

(2)在多維地震動(dòng)作用下，橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)具有一定的空間耦合性。因此，在抗震分析和設(shè)計(jì)時(shí)，只采用一維地震激勵(lì)輸出得到的結(jié)果偏于不安全，應(yīng)當(dāng)采用與實(shí)際相近的多維地震激勵(lì)。