白驥為

(蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅蘭州730000)

黃土高原高烈度地震區(qū)高墩大跨T形剛構(gòu)橋抗震性能分析

白驥為

(蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅蘭州730000)

西部黃土高原常見(jiàn)山高谷深、溝壑縱橫的地形，因此西部交通建設(shè)中高墩大跨度T形剛構(gòu)橋的應(yīng)用越來(lái)越多。莊科咀大橋位于西北黃土高原山區(qū)，是一座位于高烈度地震區(qū)的高墩大跨T構(gòu)橋。采用M idas/Civil軟件建立三維有限元模型，對(duì)該橋進(jìn)行了動(dòng)力特性分析、抗震性能分析，計(jì)算結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)都滿(mǎn)足規(guī)范要求。

黃土地區(qū)高墩 T形剛構(gòu)橋 抗震分析

1 工程概況

1.1 地形地貌

莊科咀大橋位于寧夏固原市原州區(qū)東北部，橫跨深切沖溝，溝槽深約76 m，圖1。

圖1 主橋立面(單位:cm)

1.2 地層巖性

據(jù)地質(zhì)調(diào)查及鉆探揭示，橋址區(qū)地層主要為第四系全新統(tǒng)沖積砂質(zhì)黃土，上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土，下第三系泥巖。

1.3 地震動(dòng)參數(shù)

橋址區(qū)地震動(dòng)峰值加速度0.20g(相當(dāng)于地震基本烈度八度)，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.45 s。

1.4 橋梁布置情況

主橋部分采用(95+95)m T形剛構(gòu)，小里程端置于橋臺(tái)上，主墩為1#墩，位于溝槽中心，與梁部固結(jié)。T構(gòu)大里程端置于2#墩上，T構(gòu)外接簡(jiǎn)支梁跨。

1.5 橋梁設(shè)計(jì)概況

全橋孔跨布置為(95+95)m T形剛構(gòu)橋+3×32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁橋，橋臺(tái)均采用單線T形橋臺(tái)，1#橋墩采用矩形薄壁空心橋墩，2#—4#墩為單線圓端形空心墩。所有橋墩均采用鉆孔樁基礎(chǔ)。

1.6 主墩結(jié)構(gòu)構(gòu)造

主橋橋墩采用變截面矩形薄壁墩，墩身順橋向?qū)挾?.0 m，壁厚1.2 m，內(nèi)外壁為直坡變化;墩頂橫橋向?qū)挾?.5 m，壁厚為1.2 m，墩身橫橋向外側(cè)按40∶1、內(nèi)側(cè)按60∶1的坡度變化，墩底橫橋向?qū)挾?0.0 m。

2 莊科咀大橋動(dòng)力特性分析

2.1 結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

用M idas程序建立有限元分析模型，全橋共劃分為1 437個(gè)節(jié)點(diǎn)和1 401個(gè)單元。模型中主梁和橋墩均采用三維空間梁?jiǎn)卧M。墩底考慮樁基礎(chǔ)和地基對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，樁基礎(chǔ)的模擬采用了簡(jiǎn)化處理。

2.2 自振特性分析

該橋自振特性計(jì)算如表1所示。

表1 莊科咀大橋自振特性

2.3 動(dòng)力特性分析

從本橋前五階振動(dòng)頻率和振型可以看出，梁的豎向、縱向振動(dòng)和橫向彎曲振動(dòng)交替出現(xiàn)，說(shuō)明箱梁結(jié)構(gòu)的梁高取值、橫截面設(shè)計(jì)、頂?shù)装搴穸群蜆蚨盏慕孛嫘问降榷驾^為合理，全橋的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)出現(xiàn)得比較晚，證明了箱形梁抗扭剛度大的特點(diǎn)。

3 莊科咀大橋多遇地震抗震性能分析

對(duì)莊科咀大橋進(jìn)行多遇地震下的反應(yīng)譜分析，采用SRSS方法組合來(lái)分別計(jì)算順橋向及橫橋向地震反應(yīng)。

3.1 反應(yīng)譜分析結(jié)果

多遇地震下各墩墩頂、墩底截面的順橋向結(jié)構(gòu)內(nèi)力見(jiàn)表2。

由分析結(jié)果可知:

1)無(wú)論順橋向還是橫橋向，墩頂最大位移都發(fā)生在1#剛構(gòu)墩墩頂處。在橫橋向作用下，1#剛構(gòu)墩的墩頂位移約是2#墩的2倍，可見(jiàn)剛構(gòu)墩伴隨著墩高的增大，橫橋向墩頂位移也在增大。

表2 多遇地震下順橋向結(jié)構(gòu)內(nèi)力

2)無(wú)論是在順橋向和橫橋向地震作用下，1#剛構(gòu)墩由于墩高的原因，彎矩和剪力還有位移都比較大，因此剛構(gòu)墩為最不利墩，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該充分考慮到這一點(diǎn)。

3.2 彈性驗(yàn)算

根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50111—2006)的要求:在多遇地震下，結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到“小震不壞”水準(zhǔn)，即地震后不損壞或輕微損壞，能夠保持其正常使用功能。本文對(duì)鋼筋混凝土橋墩進(jìn)行了多遇地震下的抗震安全性驗(yàn)算。

按照現(xiàn)行規(guī)范，對(duì)每個(gè)橋墩按照順橋向和橫橋向進(jìn)行偏心驗(yàn)算。1#橋墩的偏心驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 1#橋墩的偏心驗(yàn)算

4 莊科咀大橋罕遇地震抗震性能分析

4.1 彈塑性時(shí)程反應(yīng)計(jì)算及結(jié)果分析

本文采用橋梁專(zhuān)用有限元軟件Midas/Civil建立模型，對(duì)橋墩進(jìn)行彈塑性時(shí)程反應(yīng)分析。選擇地震動(dòng)時(shí)程時(shí)，根據(jù)橋址的場(chǎng)地特征周期及持續(xù)時(shí)間，利用M idas Building自帶的選波工具，選擇了三條國(guó)內(nèi)外常用的強(qiáng)震記錄James_v-0.39 s-0.24g，Taft_v-0.35 s-0.1g及James_t-0.45 s-0.5g。在輸入地震波加速度時(shí)，考慮到此橋的重要性，將各記錄的峰值進(jìn)行了調(diào)整。彈塑性時(shí)程計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。James_v波和Taft_v波作用下塑性鉸區(qū)域彎矩—曲率滯回曲線見(jiàn)圖2和圖3。

表4 彈塑性時(shí)程分析結(jié)果

在罕遇地震作用下，按照選定的三條波對(duì)該橋進(jìn)行非線性時(shí)程反應(yīng)分析，由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn):

順橋向:在James_v波作用下，1#墩墩頂截面進(jìn)入屈服階段，為屈服未破壞，彎矩—曲率滯回曲線比較扁平，說(shuō)明剛剛進(jìn)入屈服狀態(tài);1#墩墩底截面進(jìn)入屈服階段，為屈服未破壞。在Taft_v波作用下，1#墩墩頂截面在彈性范圍內(nèi)工作，未進(jìn)入塑性階段;1#墩墩底截面進(jìn)入開(kāi)裂階段，為開(kāi)裂未屈服。在James_t波作用下1#墩墩頂截面在彈性范圍內(nèi)工作，未進(jìn)入塑性階段;1#墩墩底截面進(jìn)入開(kāi)裂階段，為開(kāi)裂未屈服。

橫橋向:在James_v波作用下，1#墩墩頂截面在彈性范圍內(nèi)工作，未進(jìn)入塑性階段;1#墩墩底截面進(jìn)入屈服階段，為屈服未破壞。在Taft_v波作用下，1#墩墩頂截面在彈性范圍內(nèi)工作，未進(jìn)入塑性階段;1#墩墩底截面進(jìn)入開(kāi)裂階段，為開(kāi)裂未屈服。在James_t波作用下1#墩墩頂截面在彈性范圍內(nèi)工作，未進(jìn)入塑性階段;1#墩墩底截面進(jìn)入開(kāi)裂階段，為開(kāi)裂未屈服。

4.2 位移反應(yīng)驗(yàn)算

根據(jù)截面彎矩—曲率關(guān)系表墩底屈服彎矩為1.091×106kN·m，反算出對(duì)應(yīng)墩頂順橋向的屈服位移為0.127 m。James_v波作用下的非線性位移延性比=0.159/0.127=1.252，Taft_v波作用下的非線性位移延性比=0.109/0.127=0.858，Taft_v波作用下的非線性位移延性比=0.051/0.127=0.858，均滿(mǎn)足規(guī)范“非線性位移延性比＜4.8”的要求。

圖2 James_v波作用下截面彎矩—曲率滯回曲線

圖3 Taft_v波作用下截面彎矩—曲率滯回曲線

5 結(jié)論

本文以莊科咀大橋?yàn)楣こ瘫尘?，運(yùn)用M idas/Civil軟件建模進(jìn)行結(jié)構(gòu)的自振特性分析，并按照有車(chē)、無(wú)車(chē)兩種工況對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多遇地震下的反應(yīng)譜分析。最后按照規(guī)范要求對(duì)橋墩進(jìn)行了多遇地震下橋墩的抗震驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果均滿(mǎn)足規(guī)范“小震不壞”的要求。

對(duì)莊科咀大橋進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析計(jì)算，按橋址區(qū)的場(chǎng)地特征周期選定了三條地震波進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析。順橋向，剛構(gòu)墩墩頂截面均進(jìn)入開(kāi)裂階段，墩底截面進(jìn)入屈服階段;橫橋向，墩頂截面在彈性范圍內(nèi)工作，墩底截面進(jìn)入屈服階段未破壞。橋墩無(wú)破壞現(xiàn)象發(fā)生，滿(mǎn)足規(guī)范“大震不倒”的要求。在以后設(shè)計(jì)類(lèi)似橋梁時(shí)，應(yīng)該加強(qiáng)塑性鉸區(qū)域的鋼筋設(shè)置，利用塑性鉸產(chǎn)生的塑性變形耗能，減輕結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

［1］朱伯龍，屠成松，許哲明，等.工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原理［M］.上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社，1982.

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(責(zé)任審編趙其文)

U448.23+1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.04

1003-1995(2015)06-0014-03

2015-01-19;

2015-03-16

白驥為(1984—)，男，甘肅隴西人，工程師。