黃中亨

（同濟大學(xué)土木工程學(xué)院 上海 200092）

某中承式拱橋地震反應(yīng)譜分析及抗震性能研究

黃中亨

（同濟大學(xué)土木工程學(xué)院 上海 200092）

針對某中承式拱橋進行了抗震研究，介紹了地震反應(yīng)譜分析的基本原理，通過有限元模型的動力特性及反應(yīng)譜分析，得出了結(jié)構(gòu)在地震作用下的內(nèi)力響應(yīng)，采用纖維單元，對結(jié)構(gòu)最不利截面進行了P-M-分析，得到了控制截面的抗彎能力，對結(jié)構(gòu)進行了抗震性能評估。

中承式拱橋；反應(yīng)譜分析；纖維單元；抗震性能評估

概述

最近的二十余年，全球多次地震表明，地震時橋梁工程容易遭到嚴(yán)重破壞，進而使得震區(qū)交通生命線被切斷，外界救援人員難以進入災(zāi)區(qū)，使次生災(zāi)害加重，導(dǎo)致了巨大的經(jīng)濟損失。隨著現(xiàn)代化城市人口大量增加和經(jīng)濟高速發(fā)展，城市生活對交通線的依賴性越來越強，一旦地震使交通線遭到破壞，可能導(dǎo)致的生命財產(chǎn)以及間接經(jīng)濟損失也將會越來越巨大。國內(nèi)外多次地震證明，經(jīng)過抗震設(shè)計的工程，能夠有效地抵御地震災(zāi)害。

本文以某260m跨徑中承式拱橋為研究對象，進行動力特性及反應(yīng)譜分析，在此基礎(chǔ)上對其抗震性能作出評估。

設(shè)計反應(yīng)譜

反應(yīng)譜分析建立在振型分解反應(yīng)譜理論基礎(chǔ)上。振型分解理論將結(jié)構(gòu)的地震作用響應(yīng)分解為各振型分量的疊加，即對應(yīng)每個振型對應(yīng)一個地震作用，然后通過一定的組合方法（SRSS，CQC，ABS等）疊加各振型結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)得到最終總的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)值。

設(shè)計反應(yīng)譜采用工程場地50年超越概率10%（E1）、2%（E2）地表地震動加速度反應(yīng)譜，如圖1所示：

圖3 橋梁設(shè)計反應(yīng)譜

有限元模型

采用有限元計算軟件對該中承式拱橋進行有限元建模，有限元計算模型以順橋向為X軸，橫橋向為Y軸，豎向為Z軸。其中拱肋、鋼橫梁、鋼縱梁、橋面板、立柱、拱肋橫向聯(lián)系、輔助墩均采用梁單元進行模擬，吊桿采用桁架單元進行模擬，縱梁與橫梁間采用剛性連接，結(jié)構(gòu)的有限元計算模型如圖2所示。

圖4 有限元模型

動力特性分析

橋梁動力特性分析是研究橋梁振動問題的基礎(chǔ)，為了計算在不同等級地震荷載作用下的結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，必須首先計算橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性。動力特性分析結(jié)果如表1所示。

反應(yīng)譜分析結(jié)果

分析時地震動反應(yīng)譜考慮兩種輸入方式：①豎向+橫向；②豎向+縱向。在兩種不同水平地震作用下，結(jié)構(gòu)最不利截面發(fā)生在拱腳處，拱腳處內(nèi)力如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)動力特性

表1 地震作用下拱腳內(nèi)力

抗震性能評估

對結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)為：在地震水平E1作用下，結(jié)構(gòu)不發(fā)生損傷，保持在彈性范圍內(nèi)；在地震水平E2作用下，主纜不發(fā)生損傷，主塔、基礎(chǔ)、主梁等重要結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件局部可發(fā)生可修復(fù)的損傷，但要求地震后不影響車輛的通行。

圖1 拱腳截面纖維單元模型

圖2 拱腳截面P-M-?分析結(jié)果

結(jié)論

本文采用地震反應(yīng)譜分析方法，對某中承式拱橋進行了抗震性能研究，得出以下結(jié)論：

1）結(jié)構(gòu)在地震作用下內(nèi)力最大處為拱腳截面，E1地震作用下拱腳最大彎矩159244kN·m，E2地震作用下拱腳最大彎矩223528kN·m。

2）經(jīng)過P-M-?分析，得出了拱腳截面的初始屈服彎矩和等效抗彎屈服彎矩，分別大于結(jié)構(gòu)在E1、E2地震作用下的拱腳彎矩，結(jié)構(gòu)抗震性能性能良好。

[1]R.克拉夫,J.彭津.結(jié)構(gòu)動力學(xué)[M].高等教育出版社,2006.

[2]朱立增,張紀(jì)群.大型橋梁抗震反應(yīng)譜分析理論的發(fā)展及研究現(xiàn)狀[J].公路交通技術(shù),2003(4):50-52.

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