大跨度橋梁橋墩延性抗震結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)值仿真

艾建杰,張玉蘋

(西南科技大學(xué)城市學(xué)院,四川 綿陽 621000)

1 引言

交通建設(shè)技術(shù)隨著經(jīng)濟(jì)的高度進(jìn)步發(fā)生了翻天覆地的變化,橋梁工程在交通建設(shè)中占據(jù)重要地位,在技術(shù)發(fā)展的推動下,逐漸向大跨度方向發(fā)展,這種大跨度工程具有較低的阻尼,一旦發(fā)生地震、海嘯等嚴(yán)重自然災(zāi)害,很容易出現(xiàn)破壞性極強(qiáng)的次生災(zāi)害,所以對這類橋梁的抗震性能研究與振動控制技術(shù)研究十分重要[1-3]。我國推出了一系列公路、橋梁建設(shè)相關(guān)規(guī)定,對于橋梁、公路修建時的抗震性能提出了明確要求。地震對于橋梁造成的破壞可以劃分成5個等級,分別為①整體完好②表面破壞③中等破壞④損壞嚴(yán)重⑤整體垮塌[4]。不同等級的橋梁損壞對于當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的破壞也各不相同,其中最為嚴(yán)重的就是橋梁垮塌帶來的嚴(yán)重破壞結(jié)果。處于交通要道的大跨度橋梁一旦由于地震受損,運(yùn)輸車輛需要被迫繞行,會嚴(yán)重提升當(dāng)?shù)剡\(yùn)輸?shù)某杀竞蜁r間,使得運(yùn)輸效率在一定程度上降低,這也無形中增加了運(yùn)輸成本,對于垮塌的大跨度橋梁,政府需要撥款修復(fù),也對地方建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來巨大壓力[5,6]。

在實際生產(chǎn)中由于設(shè)備漏風(fēng)率、三氧化硫發(fā)生率、煙氣含濕量等因素［4］，會產(chǎn)生硫酸霧。隨著以上因素的變化，煙道里的硫酸霧濃度波動較大。

2018年諾貝爾物理學(xué)獎的獲得者不僅做出了某些發(fā)現(xiàn)，他們的變革性研究使強(qiáng)大的激光成為無處不在的實驗室工具。2018年10月宣布諾貝爾物理學(xué)獎的那一天，我已經(jīng)計劃要參觀一下網(wǎng)球場大小的伯克利實驗室激光加速器（BELLA），該加速器利用了獲得諾貝爾獎的方法創(chuàng)建了地球上最為強(qiáng)大的激光脈沖之一。

針對上述問題,已經(jīng)有學(xué)者對大跨度橋梁抗震性能的提升作出了大量研究,最初這些方法主要用于土木類建造工程中,主要是借助工程措施,保證動力載荷作用下,工程結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的振動低于某個限值,由此符合工程建造的抗震性能。經(jīng)過技術(shù)的不斷發(fā)展,這類振動控制方法逐漸應(yīng)用到橋梁結(jié)構(gòu)修建中,過去橋梁修建時先分析橋梁結(jié)構(gòu)的動力性能,確定橋梁中存在的薄弱環(huán)節(jié),針對這些環(huán)節(jié),提升橋梁的強(qiáng)度與剛度,某種程度上降低了橋梁的動力反應(yīng)[7-9]。近年來,隨著相關(guān)橋梁抗震性能的研究發(fā)展,各類新技術(shù)和新研究逐漸進(jìn)步,許多學(xué)者都對橋梁抗震響應(yīng)性能做出相關(guān)研究:有學(xué)者從橋梁鋼筋混凝土性能提升的角度開展研究,從混凝土框架改進(jìn)的方向出發(fā),經(jīng)過反復(fù)模擬實驗,針對框架恢復(fù)力與抗彎性能等多個角度深入研究,不斷改進(jìn)材料配比,提升橋梁材料的抗震性能[10];有學(xué)者提出使用箍筋對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束,這種方法在一定程度上提升了橋墩的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,但是橋墩延性水平下降的問題還沒有得到很好的解決[11]。

盡管在橋梁抗震性能研究方面已經(jīng)取得一定成效,但是對于大跨度橋梁橋墩的延性研究較少,因此本文使用Midas Civil軟件,通過有限元結(jié)構(gòu)開展大跨度橋梁橋墩延性抗震結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)值仿真研究。

2 大跨度橋梁橋墩延性抗震結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)值模擬

2.1 工程概況

在Mudas Civil軟件中設(shè)定實驗?zāi)Ｐ蜆蚨盏闹睆綖?.7m,橋墩形狀為圓柱形,高度設(shè)定為16m。以HRB335級別的鋼筋作為配筋與縱向鋼筋的配筋原料,箍筋為螺旋箍筋,縱筋與箍筋的配筋率分別為0.8556%和0.5%,軸壓比變化范圍為0.2。為了研究不同縱筋強(qiáng)度對大跨度橋梁橋墩延性抗震結(jié)構(gòu)的響應(yīng)情況,在Mudas Civil軟件中輸入不同鋼筋抗拉強(qiáng)度,開展建模分析,混凝土的強(qiáng)度分別為246MPa、346MPa、411MPa。

橋梁主體箱梁橫斷面使用單箱雙室,上下寬度分別達(dá)到1661cm與961cm,根部與跨中梁高分別為700cm與300cm,翼緣板懸臂長度接近350cm。

第五步:確定各級指標(biāo)權(quán)重。從表1至表5結(jié)果可知，所有判斷矩陣都通過了一致性檢驗，也就是說，均具有滿意的一致性，現(xiàn)將所有計算結(jié)果進(jìn)行綜合，得到各級指標(biāo)的權(quán)重，如下圖3所示。

使用Mudas Civil軟件建模分析不同混凝土強(qiáng)度對于橋墩延性抗震結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況,結(jié)果見圖3。

2.2 有限元模型構(gòu)建

在圖1的基礎(chǔ)上開展橋梁的動力學(xué)分析,依據(jù)集中質(zhì)量法轉(zhuǎn)換橋梁結(jié)構(gòu)的自重,按照X、Y、Z方向?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)換,將二期荷載向質(zhì)量轉(zhuǎn)化。利用Ritz向量法分析特征值,將X、Y兩個方向的初始加速度設(shè)定為初始荷載,設(shè)定10作為初始向量工況取值,振型模態(tài)包含20階,分析結(jié)果顯示X和Y方向的振型參與質(zhì)量分別為97.65%與98.27%。實驗過程設(shè)定兩種地震類型,分別為A1和A2,A2的地震強(qiáng)度高于A1,兩種地震類型的參數(shù)情況見表1。

圖1 橋梁有限元模型

2.3 Mudas Civil分析

使用Mudas Civil 2019軟件構(gòu)建本文所研究大跨度橋梁的有限元模型,綜合考量橋梁整體需要抵抗橫、縱地震作用,利用完全二次組合方法(Complete Quadratic Combination,CQC)實現(xiàn)模態(tài)組合,樁-土間相互作用通過Mudas Civil 2019軟件中的土彈簧工具實現(xiàn)模擬,完成橋梁下部樁基礎(chǔ)的最大程度真實模擬,橋梁有限元模型效果見圖1。

表1 地震類型參數(shù)與水平加速度反應(yīng)譜參數(shù)

2.4 不同軸壓比對橋墩延性抗震結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響

大量研究表明,軸壓比越大橋墩的延性抗震性能越差,一般情況下,控制橋墩結(jié)構(gòu)延性是對軸壓比加以限制,避免橋墩結(jié)構(gòu)由于地震荷載作用發(fā)生脆性破壞,相關(guān)規(guī)定要求,大跨度橋梁橋墩軸壓比需要低于0.3[12]。由于橋墩自身重量以及上部結(jié)構(gòu)情況導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)軸向壓力。在本文研究中,對于圖1的Mudas Civil模型,利用Mudas Civil軟件實現(xiàn)軸壓比調(diào)整。模型中的橋墩高度與橫截面直徑分別為16m與1.5m,混凝土規(guī)格為C30,使用HRB335級鋼筋作為橋墩的箍筋與縱向鋼筋,縱筋直徑為30mm,共需33根,縱筋與箍筋的配筋率分別為0.8556%和0.5%,軸壓比變化范圍為0.06與0.3。

2.5 阻尼器使用對橋墩地震響應(yīng)的影響

在Mudas Civil中設(shè)定實驗?zāi)Ｐ蜆蚨盏闹睆綖?.7m,橋墩形狀為圓柱形,高度設(shè)定為16m。以HRB335級別的鋼筋作為配筋與縱向鋼筋的配筋原料,縱筋直徑為30mm,共需33根,縱筋與箍筋的配筋率分別為0.8556%和0.5%,軸壓比變化范圍為0.2,保護(hù)層厚度為5cm?；炷恋膹?qiáng)度為34。從兩種震型角度分析使用阻尼器和未使用阻尼情況下橋墩地震的響應(yīng)情況,橋墩模型規(guī)格與上文一致,其中軸壓比選擇0.2。相關(guān)規(guī)定要求不同地震類型下,位移不能超過0.1m與0.3m。

2.6 混凝土強(qiáng)度對橋墩延性抗震響應(yīng)的影響

在Mudas Civil中設(shè)定實驗?zāi)Ｐ蜆蚨盏闹睆綖?.7m,橋墩形狀為圓柱形,高度設(shè)定為16m。以HRB335級別的鋼筋作為配筋與縱向鋼筋的配筋原料,縱筋直徑為30mm,共需33根,縱筋與箍筋的配筋率分別為0.8556%和0.5%,軸壓比變化范圍為0.2,保護(hù)層厚度為5cm。為了研究不同混凝土強(qiáng)度對于大跨度橋梁橋墩延性抗震結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況的影響,在Mudas Civil軟件中輸入不同強(qiáng)度混凝土參數(shù),進(jìn)行建模分析,混凝土的強(qiáng)度分別為19、24、29、34、39、44、49七個強(qiáng)度。

2.7 縱筋強(qiáng)度對橋墩延性抗震響應(yīng)的影響

本文所研究的大跨度橋梁工程在四川省西部,靠近青藏高原,該工程項目位于喜馬拉雅火山地震帶,常年地震頻發(fā),2018年汶川特大地震波及該區(qū)域,此地常年受到地震波動影響。該工程是西部高速公路的重要組成部分,也是西部山區(qū)經(jīng)濟(jì)大開發(fā)路線中的關(guān)鍵部分。在該高速公路范圍內(nèi)存在一條寬度較大,流速較急的重要河流,連通河流兩岸的交通,節(jié)省運(yùn)輸成本,在該河流上架設(shè)本文所研究的大跨度橋梁,該橋梁歷時4年全面竣工,總耗資約為10億人民幣,線路總長度約為1422m,主體跨度接近1211m,橋面被劃分為雙向四車道,限速80km/h。

3 結(jié)果

3.1 Mudas Civil分析結(jié)果

通過Mudas Civil模型分析使用阻尼器和未使用阻尼器,在兩種震型情況下橋墩中關(guān)鍵點的位移響應(yīng)變化情況,結(jié)果見表3。

圖2 有限元分析結(jié)果

由圖2可知,在不同震型情況下利用本文方法均能有效實現(xiàn)研究目標(biāo)的延性抗震性能分析。

3.2 軸壓比差異影響分析

使用Mudas Civil分析軸壓比差異下橋墩延性抗震結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況,結(jié)果使用表2統(tǒng)計。

所以，昨晚經(jīng)黨小組決議，今天我們要協(xié)助國軍兄弟一起，把孔志浩送過峽口、杜澤、蓮花鎮(zhèn)一線，穿越鬼子第三十二師團(tuán)防區(qū)……”

表2 軸壓比差異下延性抗震性能變化

從表2中能夠看出,確定其它影響因素的前提下,軸壓比上升等效屈服曲率隨之小幅失衡,同時軸壓比與曲率延性系數(shù)以及極限曲率之間呈現(xiàn)反比例關(guān)系,橋墩結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服,曲率延性系數(shù)與極限曲率差值降低,橋墩需要更短的時間就能達(dá)到極限屈服,橋墩結(jié)構(gòu)不能實現(xiàn)完全耗能,影響橋墩延性性能。軸壓比升高到一個限值后(0.3),仍然增高軸壓比會降低對于橋墩延性的影響。所以研究對象實際建造過程中需要合理控制軸壓比,防止橋墩延性受到軸壓比影響而降低,可改進(jìn)橋墩上部結(jié)構(gòu)使用的材料,以此降低軸壓比。

3.3 阻尼器使用影響結(jié)果

使用Mudas Civil軟件在A1與A2兩種地震類型下獲得的實驗研究橋梁抗震結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況見圖2。

表3 不同震型下極限位移響應(yīng)情況

從表3的分析結(jié)果中能夠看出,實驗對象未使用阻尼器時,在兩種震型作用下,橋墩頂部及底部均產(chǎn)生較大位移,而且位移范圍遠(yuǎn)超出相關(guān)規(guī)定要求的極限范圍,如果不使用阻尼器幫助橋墩提升抗震性能,一旦發(fā)生強(qiáng)烈地震將造成橋墩坍塌,造成重大災(zāi)害,因此實際施工過程中需要適當(dāng)使用阻尼器。

將4個阻尼器分別安裝在橋梁與橋墩間,分析有無阻尼控制之下,橋梁與橋墩接觸的四個點的剪力最大值,結(jié)果匯總于表4。

表4 剪力最大值統(tǒng)計結(jié)果

分析圖3可知,其它影響因素不變的前提下,混凝土的強(qiáng)度與極限曲率和等效屈服曲率呈現(xiàn)出正比例關(guān)系,從圖中也能看出,極限曲率具有更快的增長速度,同時混凝土強(qiáng)度與曲率延性系數(shù)之間也存在正比例關(guān)系,但是相比之下增長速度較為緩慢,由此可以看出,在橋墩其它影響條件不發(fā)生改變的情況下,提升混凝土的強(qiáng)度能夠在一定程度上改變橋墩的延性抗震性能,但是影響強(qiáng)度較低,所以實際施工工程中不要為了得到較高的延性抗震性能而使用強(qiáng)度較高的混凝土。

3.4 混凝土強(qiáng)度差異影響分析結(jié)果

“振興民族的希望在于教育，振興教育的希望在于教師。[1]”近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展和人們對教育認(rèn)識的不斷深化，教師心理健康問題問題越來越引起人們的普遍關(guān)注。

圖3 強(qiáng)度差異混凝土對橋墩延性的影響

從表4中能夠直接看出,使用阻尼器之后,各個點的剪力最大值都出現(xiàn)明顯降低,由此可以看出,使用阻尼器能夠一定程度上控制橋墩的彎矩,進(jìn)一步提升橋墩延性抗震性能。

信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用影響著人們的思想觀念、行為習(xí)慣及日常生活，也給各行各業(yè)帶來巨大變化。在電工培訓(xùn)中，這種影響和變化主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

3.5 縱筋強(qiáng)度影響結(jié)果

使用Mudas Civil軟件建模分析不同縱筋強(qiáng)度對于橋墩延性抗震結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況,分析模型彎矩-曲率結(jié)果見表5。

表5 縱筋強(qiáng)度影響結(jié)果

分析表5可知,不改變有關(guān)橋墩結(jié)構(gòu)的其它影響參數(shù),對縱向鋼筋的強(qiáng)度加以改變,直接導(dǎo)致橋墩的極限曲率下降,但是提升屈服曲率值,由此導(dǎo)致曲率延性比出現(xiàn)下降,由此看出縱筋強(qiáng)度與曲率延性系數(shù)之間呈現(xiàn)反比例關(guān)系,從表5中能夠明顯看出曲率延性系數(shù)出現(xiàn)下降,造成橋墩受到地震影響時不能將能量消耗出去,導(dǎo)致延性抗震相應(yīng)下降。也就是說,縱筋強(qiáng)度提升,反而會降低橋墩的延性抗震響應(yīng),所以實際施工過程中為提升橋墩延性抗震響應(yīng)不需要提升縱筋的強(qiáng)度。

（2）問卷調(diào)查：可用于小組成員之間的自評、互評，同時教師也可對本組學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)行綜合評價，多采用自行設(shè)計問卷，涉及對教學(xué)形式的態(tài)度、在本次教學(xué)中的投入和參與程度、學(xué)習(xí)效果、能力的提高、評判性思維、分享精神、教師的作用、PBL教案評價等方面[10]。

4 結(jié)論

針對目前大跨度橋梁的抗震性能,可指導(dǎo)未來橋梁檢修維護(hù)的工作,研究大跨度橋梁橋墩延性抗震結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)值仿真。使用Midas Civil軟件構(gòu)建橋墩延性抗震性能分析模型,從多個角度分析橋墩受到干擾因素影響下,延性抗震性能的變化。經(jīng)過實驗分析發(fā)現(xiàn),軸壓比與橋墩延性抗震性能之間呈現(xiàn)反比例關(guān)系;使用阻尼器能夠有效提升橋墩的抗震性能;較高強(qiáng)度的混凝土等級能夠一定程度提升橋墩的延性抗震性能,但是并不是越高的混凝土強(qiáng)度越能提升橋墩的延性抗震結(jié)構(gòu)響應(yīng),所以需要選擇適當(dāng)?shù)幕炷翉?qiáng)度;若想使橋墩延性抗震結(jié)構(gòu)響應(yīng)得到提高,無需提升配筋率或者大量縱向鋼筋。經(jīng)過綜合分析,本文研究對象的橋墩延性抗震結(jié)構(gòu)響應(yīng)符合目前橋梁安全的相關(guān)規(guī)定,在未來的大跨度橋梁建設(shè)中,該橋梁的建設(shè)成果具有較高的指導(dǎo)意義。