羅 強(qiáng)

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

連續(xù)剛構(gòu)橋是在T型剛構(gòu)橋和連續(xù)梁橋的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的一種具有跨越能力大、無大型支座及行車較為舒適的橋梁結(jié)構(gòu)形式。該種橋型由于其自身特點(diǎn)，常用于激流、大河以及深谷地段。但目前由于地震頻發(fā)，且破壞力強(qiáng)大，造成嚴(yán)重的社會經(jīng)濟(jì)損失，尤其是地震對大型橋梁帶來的損害，其危害程度具有不可預(yù)估性。如何從設(shè)計、施工角度有效提高橋梁的質(zhì)量水平以及抗震能力，同時確保橋梁在使用過程中結(jié)構(gòu)安全性及穩(wěn)定性，從而保證橋梁受力合理以及外觀美觀，是大型橋梁建設(shè)發(fā)展的關(guān)鍵，也是橋梁工作者研究的重點(diǎn)。本研究為了較好地分析連續(xù)剛構(gòu)橋在地震作用條件下，整橋內(nèi)力及位移等響應(yīng)變化情況，通過采用ANSYS有限元命令流將不同向地震波輸入模型中進(jìn)行響應(yīng)分析，以此分析地震條件下連續(xù)剛構(gòu)橋的力學(xué)響應(yīng)，為連續(xù)剛構(gòu)橋施工、設(shè)計提供理論依據(jù)。

本文以某三跨連續(xù)剛構(gòu)橋為例，首先采用ANSYS有限元軟件建立橋梁三維實體計算模型，其次分析該連續(xù)剛構(gòu)橋在橫橋向、豎橋向、縱橋向3種震動狀態(tài)條件下，其主跨跨中、墩梁固結(jié)處的位移以及加速度以及內(nèi)力響應(yīng)，為連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計及施工過程中質(zhì)量控制提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 ANSYS有限元建模

1.1 分析基礎(chǔ)

ANSYS有限元分析軟件目前較大程度應(yīng)用于土建構(gòu)造物受力分析及計算上，其分析過程一般包括：實體建模與網(wǎng)格劃分、外界荷載作用、結(jié)果分析與輸出[1]。采用ANSYS有限元分析軟件解決工程實際問題的步驟一般如下：

a）采用前處理模塊PREP7定義參數(shù)與建立有限元三維模型。

b）利用求解模塊SOLUTION對所建的有限元模型進(jìn)行力學(xué)分析與有限元分析。

c）通過后處理器模塊POST1與POST26觀測并分析計算結(jié)果。

1.2 模型參數(shù)

研究以某三跨連續(xù)剛構(gòu)橋為例，該橋上部結(jié)構(gòu)形式為單箱單室截面，截面呈現(xiàn)拋物線形變化分布，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 連續(xù)剛構(gòu)橋基本參數(shù)

基于表1中的連續(xù)剛構(gòu)橋基本參數(shù)，采用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行模型建立，該模型單元節(jié)點(diǎn)劃分及材料賦值基本參數(shù)如表2所示。

表2 ANSYS計算模型單元格劃分及材料參數(shù)

所建ANSYS有限元連續(xù)剛構(gòu)橋模型如圖1所示。

圖1 計算分析模型

2 地震條件模擬及分析方法

2.1 時程分析方法

目前對建筑結(jié)構(gòu)物在地震條件下的抗震分析一般有3種方法：時程分析法、功率譜法以及反應(yīng)譜法[2]。而由于橋梁為體系復(fù)雜的非線性結(jié)構(gòu)物，采用動態(tài)時程分析方法對其進(jìn)行地震響應(yīng)分析較為合理[3]。時程分析法是一種對計算的結(jié)構(gòu)振動方程直接進(jìn)行積分的動力方法，該方法是隨著地震記錄的增加及計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用而逐步發(fā)展起來的。在分析過程中，直接將地震振動記錄數(shù)據(jù)作用在結(jié)構(gòu)物上，一般采用多自由度、多節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)有限元建立震動響應(yīng)。本研究采用時程分析法對連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行抗震分析。分析過程分為以下4部：

a）把振動時程按等間距或不等間距分為一系列的微小時間段Δt。

b）假設(shè)在微小時間段內(nèi)，加速度、速度及位移按照一定的變化規(guī)律變化。

c）按照變化規(guī)律求解在微小時間段Δt+t時刻時，結(jié)構(gòu)物的振動響應(yīng)。

d）按照以上步驟對該系列微小時間間隔進(jìn)行逐步積分，最終完成整個時程分析。

2.2 地震波輸入

地震波作為一種外界輸入荷載，是直接導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)破壞的根本原因，因此在橋梁施工、設(shè)計及分析過程中，應(yīng)當(dāng)選用較為真實的地震來研究橋梁的抗震性能以及在地震條件下做出的力學(xué)響應(yīng)。目前對重大結(jié)構(gòu)以及重要的工程結(jié)構(gòu)而言，依據(jù)設(shè)計規(guī)范所給出的地震峰值加速度以及反應(yīng)譜進(jìn)行設(shè)計是不能夠較為真實模擬及分析地震條件下結(jié)構(gòu)物的抗震性能。因此必須采用符合實際的地震波觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬、分析地震波對結(jié)構(gòu)物所產(chǎn)生的響應(yīng)十分必要。為較為準(zhǔn)確分析連續(xù)剛構(gòu)橋在地震條件下的響應(yīng)，本研究采用較為典型的El Centro地震波[4-5]作為分析地震波，不同向地震波輸入如圖2、圖3、圖4。

圖2 X方向加速度時程圖

圖3 Y方向加速度時程圖

圖4 Z方向加速度時程圖

3 響應(yīng)結(jié)果及分析

采用ANSYS有限元命令流將不同向地震波輸入所建模型中進(jìn)行響應(yīng)分析，研究對連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行地震條件下位移、加速度及內(nèi)力響應(yīng)，結(jié)果如圖5、圖6、圖7。

圖5 地震波沿三向輸入的最大位移響應(yīng)

圖6 地震波沿三向輸入的最大加速度響應(yīng)

圖5、圖6為地震波沿三向輸入時，橋梁所產(chǎn)生的最大位移及加速度響應(yīng)曲線。從圖中可得出，地震波對橋梁位移、加速度響應(yīng)變化規(guī)律一致；Y方向地震波輸入對橋梁縱向位移、加速度響應(yīng)大于其余情況響應(yīng)；地震波三向輸入中，橋梁的墩梁固結(jié)處產(chǎn)生的位移響應(yīng)較為明顯；地震波Y方向輸入在縱橋向產(chǎn)生的加速度響應(yīng)明顯大于X方向輸入在橫橋向以及Z方向輸入在豎橋向產(chǎn)生的加速度響應(yīng)。因此，在連續(xù)剛構(gòu)橋施工過程中，應(yīng)采用一定的技術(shù)措施，加強(qiáng)墩梁固結(jié)處的剛度及強(qiáng)度要求；另外在設(shè)計過程中應(yīng)注意橋梁縱橋向受力設(shè)計。

圖7 地震波沿三向輸入時墩梁固結(jié)與跨中內(nèi)力

圖7為地震波沿橋縱向、橫向、豎向輸入時，橋梁墩梁固結(jié)處以及跨中內(nèi)力情況。從圖7中可看出，相同地震波輸入條件下，墩梁固結(jié)處的內(nèi)力遠(yuǎn)大于跨中內(nèi)力；橋梁固結(jié)處、跨中在不同地震波輸入條件下，其內(nèi)力不同，其中地震波Y方向輸入對橋梁產(chǎn)生的內(nèi)力最為明顯；綜合對比地震波三向輸入對橋梁內(nèi)力產(chǎn)生的影響，X方向所產(chǎn)生的內(nèi)力響應(yīng)小于Y方向以及Z方向的內(nèi)力響應(yīng)。

4 結(jié)語

本研究綜合考慮了不同向地震波輸入對橋梁墩梁位移、加速度以及內(nèi)力的影響，結(jié)果表明橋梁墩梁固結(jié)處內(nèi)力響應(yīng)較其他位置內(nèi)力響應(yīng)最為明顯；且地震波縱向輸入對橋梁位移及加速度響應(yīng)大于橫向輸入及豎向輸入。建議在連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計施工過程中，嚴(yán)格控制墩梁固結(jié)處材料選用及施工質(zhì)量控制，保證橋梁在震動情況下仍處安全狀態(tài)。