潘 強(qiáng),方詩(shī)圣,程曉東

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利學(xué)院,合肥 230009;2.安徽省高速公路試驗(yàn)檢測(cè)科研中心,合肥 230601)

高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋地震反應(yīng)的行波效應(yīng)研究

潘 強(qiáng)1,方詩(shī)圣1,程曉東2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利學(xué)院,合肥 230009;2.安徽省高速公路試驗(yàn)檢測(cè)科研中心,合肥 230601)

運(yùn)用大型結(jié)構(gòu)分析程序Midas/civil在地震波作用下,對(duì)某一實(shí)際高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的地震反應(yīng)的行波效應(yīng)進(jìn)行了時(shí)程分析的數(shù)值模擬,分析了高墩大跨連續(xù)橋在順橋向地震波作用下不同的相位差的行波效應(yīng),以及行波效應(yīng)對(duì)橋梁高低墩墩差產(chǎn)生的影響.結(jié)果表明:行波效應(yīng)對(duì)高墩大跨連續(xù)橋的影響很大,橋梁高低墩墩差越大行波效應(yīng)越明顯,高墩大跨連續(xù)橋在抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮行波效應(yīng).

高墩大跨連續(xù)橋梁;有限元法;動(dòng)態(tài)時(shí)程分析;行波效應(yīng);地震反應(yīng)

近年來(lái),在我國(guó)西部高烈度地震區(qū)出現(xiàn)了很多高墩大跨結(jié)構(gòu)橋梁,高墩大跨連續(xù)梁橋抗震設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要部分,分析其地震反應(yīng)是該類橋梁設(shè)計(jì)中重要的環(huán)節(jié).許多大跨剛構(gòu)橋跨徑都在100 m以上,而典型的地震波波長(zhǎng)為百余米至數(shù)百米.此時(shí),就必須考慮不同地面節(jié)點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)相位差,即行波效應(yīng)問(wèn)題.在實(shí)際工程的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析中,地震輸入方法常用的是一致激勵(lì)法,只考慮它們隨時(shí)間的變化.這種假定僅對(duì)于小跨度橋梁來(lái)說(shuō)適用[1,2].綜合高墩大跨結(jié)構(gòu)橋梁抗震研究甚少,大跨結(jié)構(gòu)橋梁地震反應(yīng)的研究比較普遍,例如,黃小國(guó)等[3]利用大型結(jié)構(gòu)分析程序 ANSYS/TRANSIENT,對(duì)地震波三向正交分量獨(dú)立作用和聯(lián)合作用下大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的地震反應(yīng)的行波效應(yīng)進(jìn)行了時(shí)程分析的數(shù)值模擬,分析了大跨連續(xù)剛構(gòu)橋在各向振動(dòng)分量的作用,以及各向振動(dòng)不同相位差的行波效應(yīng);李衷獻(xiàn)等[4]基于行波激勵(lì)下大跨度橋梁地震反應(yīng)分析的方法,對(duì)某一大跨度的四跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行了行波激勵(lì)下地震反應(yīng)的數(shù)值模擬.張亞輝等[5]分析了地震波視波速對(duì)體系極值響應(yīng)的影響,并討論了動(dòng)態(tài)相對(duì)位移和擬靜位移分量對(duì)體系極值響應(yīng)的貢獻(xiàn).本文基于以上理論基礎(chǔ),分析了高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋地震反應(yīng)的行波效應(yīng)特性以及行波效應(yīng)對(duì)橋梁高低墩墩差的影響.

1 計(jì)算方法

動(dòng)態(tài)時(shí)程分析的振動(dòng)方程為:

經(jīng)過(guò)一系列公式轉(zhuǎn)換得出:

式(3)就是考慮多點(diǎn)激勵(lì)和行波效應(yīng)的橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程,[R]稱為考慮行波和多點(diǎn)激勵(lì)的地震動(dòng)影響矩陣.當(dāng)把影響矩陣[R]換為單位矩[I]的時(shí)候,式(3)就是不考慮多點(diǎn)激勵(lì)和行波效應(yīng)的橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程[6].

2 工程概況

某大橋位于大別山地帶,大橋長(zhǎng)480.37 m,設(shè)計(jì)為4墩兩臺(tái)共5跨變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋(56+114+140+114+50=474 m),2號(hào)、3號(hào)墩為雙柱矩形薄壁空心墩,高度為82 m和78 m,屬于高墩施工,1號(hào)、4號(hào)墩為單柱矩形薄壁空心墩高40 m,橋梁位于半徑R=3200 m的圓曲線和直線段上.箱梁梁體均采用C50混凝土.箱梁截面設(shè)計(jì)為單箱單室,2號(hào)、3號(hào)主墩根部梁高8 m,1號(hào)、4號(hào)根部梁高為6 m,跨中和邊跨現(xiàn)澆段梁高為3.0 m,箱梁頂板寬11.8 m,底板寬 6.5 m,翼緣板懸臂長(zhǎng)2.65 m;箱梁底下緣按1.8次拋物線線形變化.箱梁橫橋向頂板設(shè)2%的橫坡,底板水平;該橋縱坡為2.2%.

3 全橋有限元模型以及地震動(dòng)的輸入

本橋連續(xù)剛構(gòu)的計(jì)算模型按平面剛架體系計(jì)算,采用有限元分析方法.在計(jì)算模型中,主橋連續(xù)剛構(gòu)共分為228個(gè)單元,其中預(yù)應(yīng)力箱梁分為143個(gè)單元,全橋有限元模型如圖1所示.

圖1 高墩連續(xù)梁橋有限元模型

本文中的時(shí)程分析采用過(guò)去典型的強(qiáng)震記錄地震波.本文中的時(shí)程分析根據(jù)橋址處具體的場(chǎng)地條件,在己有的強(qiáng)震記錄中選擇了一條與橋址場(chǎng)地條件相符的地震波,即EI-Centro地震波,如圖2,我們這里選擇1940年EI-Centro Site南北方向地面加速度時(shí)程,其峰值加速度為341.7 cm/s2,持續(xù)時(shí)間53.72 s,我們選擇的地震波需要滿足:加速度時(shí)程曲線最大值為35 cm/s2,持續(xù)時(shí)間必須大于20 s,這時(shí)我們需要對(duì)該地震波的峰值進(jìn)行調(diào)整,如下:

圖2 EI-Centro地震波

4 基本特性動(dòng)力分析

分析和認(rèn)識(shí)大跨度高墩梁橋的動(dòng)力特性是進(jìn)行地震反應(yīng)分析和抗震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[7,8].該橋前10階振型見(jiàn)表1.

表1 前10階結(jié)構(gòu)自振特性

5 計(jì)算與分析

5.1 行波效應(yīng)在高墩大跨梁橋的影響

本文假設(shè)地震波自左向右順橋向傳播,從最左端1號(hào)墩依次向右傳播至2號(hào)墩、3號(hào)墩、4號(hào)墩,計(jì)算地震波傳播速度分別為200 m/s,400 m/s,600 m/s,1200 m/s,本文取橋主跨跨中斷面進(jìn)行內(nèi)力時(shí)程分析,其時(shí)程分析曲線比較如圖3所示.

行波效應(yīng)作用下的內(nèi)力反應(yīng)曲線與一致激勵(lì)下的內(nèi)力反應(yīng)曲線對(duì)比存在明顯的滯后現(xiàn)象.從上圖中我們可以看出,波速在200 m/s時(shí)候,波速比較緩慢,滯后現(xiàn)象很明顯.隨著波速的加快,這種滯后現(xiàn)象明顯好轉(zhuǎn),波速Va較大時(shí),行波效應(yīng)內(nèi)力反應(yīng)的波形與一致激勵(lì)內(nèi)力反應(yīng)的波形比較相似,最終,當(dāng)波速達(dá)到1200 m/s時(shí)候,行波效應(yīng)內(nèi)力反應(yīng)的波形與一致激勵(lì)內(nèi)力反應(yīng)的波形基本重合.

5.2 高低墩高差對(duì)高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋地震反應(yīng)的影響

本文以高墩大跨連續(xù)梁模型一為藍(lán)本建立,其他條件不變,只是將3號(hào)、4號(hào)墩墩高改變,以橋主跨跨中截面內(nèi)力為分析對(duì)象,分析兩種模型一致激勵(lì)與行波效應(yīng)對(duì)橋梁的影響,如表2所示.

圖3 不同視波速下主跨跨中My時(shí)程曲線

表2 兩種模型墩高與墩差

為分析兩種模型在行波效應(yīng)后的影響,在同一波速中,我們用表示主跨跨中截面在任一時(shí)刻一致激勵(lì)與行波效應(yīng)△H的內(nèi)力差,則內(nèi)力差數(shù)據(jù)分析曲線如圖4所示.

圖4 不同視波速下主跨跨中My的⊿H曲線

當(dāng)波速越小,高底墩墩差越大,一致激勵(lì)與行波效應(yīng)的滯后現(xiàn)象很明顯,隨著波速越來(lái)越大,滯后現(xiàn)象好轉(zhuǎn),綜合來(lái)講,對(duì)于高低墩墩差越大,一致激勵(lì)與行波效應(yīng)的滯后現(xiàn)象越明顯.

6 結(jié) 語(yǔ)

(1)行波效應(yīng)對(duì)于高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的影響很大,從以上模型分析得出,隨著視波速的不同,截面的內(nèi)力變化是不同的;

(2)波速越小,行波效應(yīng)與一致激勵(lì)分析的結(jié)果差別很大,滯后現(xiàn)象很明顯,但隨著波速的增大,滯后現(xiàn)象將明顯好轉(zhuǎn);

(3)同一截面相同的視波速,行波效應(yīng)對(duì)于高低墩墩差不同也會(huì)有很大的影響,波速越小,高底墩墩差越大,行波效應(yīng)與一致激勵(lì)滯后現(xiàn)象越明顯,隨著波速的增大,這種影響好轉(zhuǎn).所以對(duì)于高墩大跨橋梁的抗震分析時(shí)候,行波效應(yīng)的影響是非常重要的.

[1]何 波,朱宏平,史雅楠.大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋抗震性能評(píng)價(jià)[J].公路,2007,(11):1-6.

[2]劉洪兵.大跨橋梁考慮地形及多點(diǎn)激勵(lì)的地震響應(yīng)分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,31(6):641-646.

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[5]張亞輝,李麗媛,陳 艷,等.大跨度結(jié)構(gòu)地震行波效應(yīng)研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),2005,(4):480-486.

[6]范立礎(chǔ).橋梁抗震[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1997.

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The Traveling Wave Effect of Seismic Response of High-pier-span Continuous Rigid Frame Bridge

PAN Qiang1,FANG Shi-sheng1,CHENG Xiao-dong2
(1.School of Civil Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;2.Test and Research Centre for Highway of Anhui Province,Hefei 230601,China)

By using large-scale structural analysis program Midas/civil,under the action of seismic waves,time-history analysis of the numerical simulation is imposed on the travelling wave effect of seismic response of a real high-pier-span continuous rigid frame bridge.Analysis is about the travelling wave effect of different phase of high-span continuous bridge pier under the action of the seismic waves parallel with the bridge,as well as different impact of the travelling-wave effect on the height difference of bridge piers.The results show that the influence of travelling wave effect on the high-span continuous bridge pier is great.The greater the height difference pier of the bridge,the more obvious effect of the larger waveis.travelling wave effect should be taken into consideration in the seismic design of high-span continuous bridge piers.

high-pier-span continuous girder bridge;finite element method;dynamic time history analysis;travelling wave effect;seismic response

U442.5

A

1671-119X(2010)02-0082-04

2009-11-14

潘 強(qiáng)(1983-),男,碩士研究生,研究方向:城市道路與橋梁.