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        曲率半徑對(duì)曲線連續(xù)剛構(gòu)橋抗震性能影響的研究

        2016-10-27 12:13:56
        黑龍江交通科技 2016年9期
        關(guān)鍵詞:墩底抗力剛構(gòu)橋

        孫 杰

        (中國(guó)建筑土木建設(shè)有限公司,北京 100070)

        曲率半徑對(duì)曲線連續(xù)剛構(gòu)橋抗震性能影響的研究

        孫 杰

        (中國(guó)建筑土木建設(shè)有限公司,北京 100070)

        以曲線連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔?,運(yùn)用橋梁專業(yè)有限元分析軟件MIDAS Civil建立有限元模型進(jìn)行仿真分析,探討該橋樁-土相互作用的模擬,對(duì)比分析了不同曲率半徑對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和地震反應(yīng)的影響。相關(guān)結(jié)論可為橋梁設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持,也可供橋梁抗震概念設(shè)計(jì)參考。

        曲線連續(xù)剛構(gòu)橋;曲率半徑;地震響應(yīng);自振特性;抗震設(shè)計(jì)

        1 工程概況

        該橋?yàn)槟掣咚俟飞系拇笮蜆蛄海瑸榍€連續(xù)剛構(gòu)橋,跨徑組合為(50+90+50)m,曲率半徑為1 000 m。主橋橋墩由兩片薄壁墩構(gòu)成,為矩形截面,高度分別為65.00 m和53.00 m。薄壁墩及其系梁用C40混凝土,基礎(chǔ)用C30混凝土。地震基本烈度7度,按8度設(shè)防。有限元分析模型主要采用梁?jiǎn)卧?、剛性單元和彈簧單元。主梁、橋墩、承臺(tái)和樁基用梁?jiǎn)卧M,樁-土相互作用則使用節(jié)點(diǎn)彈性約束模擬,橋墩與主梁、樁基與承臺(tái)之間使用剛性連接。為對(duì)比下部基礎(chǔ)的計(jì)算模式對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力性質(zhì)的影響,分別按墩底固結(jié)和考慮樁土相互作用進(jìn)行計(jì)算。采用土彈簧模擬樁-土的相互作用。樁基承受各種荷載作用后會(huì)產(chǎn)生位移而壓縮土體,進(jìn)而土體對(duì)樁基有了抗力,因?qū)⑼馏w變形假設(shè)為彈性,這里采用E.Winkler的土抗力與其壓縮量成正比的假設(shè),則土層水平抗力可定義為

        式中:σx為單位面積土層的水平抗力,kPa;X為樁在深度z的水平位移;Cz為樁周土的地基水平向抗力系數(shù),kPa/m。

        輸入地震波采用E1 Centro波南北分量,并根據(jù)場(chǎng)地類型的加速度峰值進(jìn)行了調(diào)幅處理。由于曲線橋結(jié)構(gòu)受力的復(fù)雜性,假定地震波按照本文所定義的縱向和橫向分別輸入,不考慮結(jié)構(gòu)的多點(diǎn)激勵(lì)及輸入方向的影響。調(diào)整后的El Centro波時(shí)程曲線如圖1所示。

        2 曲率半徑影響分析

        為了探討曲率半徑對(duì)結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)影響,分別建立六種模型進(jìn)行分析,即:R=1 000 m、R=800 m、R=500 m,每種情況分別考慮墩底固結(jié)和樁-土相互作用。

        圖1 El Centro波加速度時(shí)程曲線

        2.1自振特性分析

        橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性是進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析和抗震設(shè)計(jì)的重要參數(shù),一般情況下結(jié)構(gòu)前若干階自振頻率和振型在抗震計(jì)算時(shí)起控制作用,因此,本文給出橋梁結(jié)構(gòu)的前10階動(dòng)力特性,8個(gè)模型下曲線連續(xù)剛構(gòu)橋的自振特性分析結(jié)果如表1和表2所示。

        表1 不同曲率半徑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性對(duì)比(墩底固結(jié))

        表2 不同曲率半徑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性對(duì)比(考慮樁土)

        從表1-2可以看出:

        (1)在前十階振型中,隨著曲率半徑的增加,無(wú)論考慮樁土相互作用與否,曲線連續(xù)剛構(gòu)橋的振動(dòng)型式并沒(méi)有發(fā)生改變,說(shuō)明曲率半徑對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)型式影響不顯著。

        (2)與墩底固結(jié)模型相比,考慮樁土作用后,結(jié)構(gòu)一階振型由縱飄變?yōu)?#墩橫彎,說(shuō)明考慮樁土作用后,結(jié)構(gòu)的橫向剛度較小。這主要是樁土作用影響了結(jié)構(gòu)的剛度分配,導(dǎo)致了振型的變化。

        (3)隨著曲率半徑的減小,對(duì)于墩底固結(jié)和考慮樁土相互作用模型,結(jié)構(gòu)的頻率逐漸增大,這主要是由于曲率半徑的減小增大了結(jié)構(gòu)的整體剛度。3.2 地震響應(yīng)分析

        結(jié)構(gòu)在縱向、橫向激勵(lì)作用下,各模型墩底內(nèi)力和墩頂位移隨曲率半徑變化的結(jié)果如圖2~圖9所示。

        圖2 1#墩底彎矩變化圖

        圖3 1#墩底剪力變化圖

        由上圖結(jié)果可以得出:在縱、橫橋向地震作用激勵(lì)下,結(jié)構(gòu)曲率半徑的逐漸減小后,各橋墩的彎矩、剪力和墩頂位移都有不同程度的減小,但扭矩有所增大。說(shuō)明在一定曲率半徑內(nèi),曲率半徑越小,其抗震性能越好,但隨著半徑越小,橋梁彎曲程度越明顯,則彎扭耦合效應(yīng)會(huì)愈加顯著,這樣不利于結(jié)構(gòu)受力。

        圖4 1#墩底扭矩變化圖

        圖5 1#墩頂位移變化圖

        圖6 2#墩底彎矩變化圖

        圖7 2#墩底剪力變化圖

        圖8 2#墩底扭矩變化圖

        圖9 2#墩頂位移變化圖

        因此,針對(duì)曲線橋的抗震設(shè)計(jì),必須充分考慮該橋的彎扭耦合效應(yīng),在滿足截面抗彎剛度要求時(shí),盡可能的增加截面的抗扭剛度,使彎扭剛度比降低,以降低彎扭耦合效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)受力的不利影響。

        4 結(jié) 論

        (1)隨著結(jié)構(gòu)曲率半徑的變小,其自振頻率逐漸變大,主要是因?yàn)榍拾霃降臏p小增大了結(jié)構(gòu)整體剛度。

        (2)曲線連續(xù)剛構(gòu)橋在墩底固結(jié)情況下前2階振型分別為:縱飄和高墩橫彎,考慮樁土作用后分別為:高墩橫彎和縱飄。說(shuō)明考慮樁土作用后會(huì)使結(jié)構(gòu)的橫向剛度減小,改變結(jié)構(gòu)振動(dòng)型式。

        (3)曲率半徑越小,其抗震性能越好,但隨著半徑越小,結(jié)構(gòu)的彎扭耦合效應(yīng)會(huì)愈加顯著,這樣不利于結(jié)構(gòu)受力。建議在滿足截面抗彎剛度要求時(shí),盡可能的增加截面的抗扭剛度,使彎扭剛度比降低,以降低彎扭耦合效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)受力的不利影響。

        [1] 蘭燕.橋墩造型及其抗震性能研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2005.

        [2] 宋一凡.公路橋梁動(dòng)力學(xué)[M].北京:人民交通出版社,2000.

        [3] 重慶交通科研設(shè)計(jì)院.公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則(JTG/ T B02-01-2008).北京:人民交通出版社,2008.

        U441

        C

        1008-3383(2016)09-0088-02

        2016-07-22

        孫杰(1987-),男,江蘇鹽城人,助理工程師,研究方向:橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算分析與施工技術(shù)管理。

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