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        龍河大橋地震響應(yīng)時程分析

        2018-05-09 07:56:54高金亮
        四川建筑 2018年2期
        關(guān)鍵詞:墩底墩頂轉(zhuǎn)角

        高金亮, 楊 俊

        (四川省交通運輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院, 四川成都 610041)

        1 工程概況

        麗江至攀枝花高速公路龍河大橋半幅寬12.5 m,上部結(jié)構(gòu)采用18×30 m簡支T梁,下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式墩,由于橋位處地形變化較大,本文選擇橋墩高度最高的一聯(lián)第8-11

        孔做抗震分析,第7-11號橋墩高度依次為:45.5 m、47.5 m、40 m、34 m、30 m,由于7號墩頂為滑板支座,其地震作用較小,本文選取最不利的8號橋墩進(jìn)行地震響應(yīng)時程分析,橋梁立面圖見圖1所示。

        圖1 橋梁立面

        2 地震參數(shù)取值

        本橋地震動峰值加速度為0.1g,反應(yīng)譜特征周期為0.45 s,場地類型為II類,屬于高速公路上的橋梁,為B類橋梁。根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》,橋梁抗震設(shè)防措施等級為8級。

        3 計算模型及計算方法

        采用Midas Civil有限元軟件建立全橋三維空間桿系模型,進(jìn)行地震響應(yīng)時程分析。中墩采用板式支座,聯(lián)端采用四氟滑板支座,所以模型中沒有建立聯(lián)端橋墩;支座縱、橫向的剪切剛度均采用彈性連接進(jìn)行模擬;橋墩樁基采用“m”法(土彈簧)模擬,在軟件中通過節(jié)點彈性支撐來實現(xiàn)。

        4 地震響應(yīng)時程分析法

        本橋8號橋墩最大墩高47.5 m,已大于《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》規(guī)定的30 m,屬于非規(guī)則橋梁,需采用時程分析法進(jìn)行抗震分析。通過時程分析法可以計算出地震過程中每一瞬時結(jié)構(gòu)的位移、速度和加速度反應(yīng),較為準(zhǔn)確的計算出結(jié)構(gòu)在地震過程中的內(nèi)力和位移隨時間的反應(yīng),并發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在地震過程中可能存在的薄弱環(huán)節(jié)或可能發(fā)生的震害,是計算地震反應(yīng)較為真實的精細(xì)分析方法。

        依據(jù)本橋所在的場地類型,根據(jù)GB 50011-2001《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定,選取兩組實際強(qiáng)震記錄和一組人工模擬的加速度時程曲線,將三組數(shù)值取平均后與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線做比較,得出與本橋適用的地震波。幅值的調(diào)整:

        (1)設(shè)計加速度峰值PGA的求法:

        PGA=Smax/2.25=CiCsCdA

        (2)E1地震時程縫隙所用地震加速度時程曲線的最大值:

        PGA1 =CiCsCdA=0.5×1.3×1.0×0.1×9.8

        =0.637 m/s2

        (3)E2地震時程縫隙所用地震加速度時程曲線的最大值:

        PGA2 =CiCsCdA=1.7×1.3×1.0×0.1×9.8

        =2.1658 m/s2

        調(diào)整后的地震波如圖2所示。

        圖2 調(diào)整后的地震波

        (4)地震波特征周期Tg的確定。

        因為擬相對速度反應(yīng)譜PSV和擬絕對加速度的反應(yīng)譜PSA之間有近似關(guān)系PSA=W·PSV,則可以得到特征周期:

        Tg=2π(1/w)=2π(EPV/EPA)

        其中:EPA為有效峰值加速度;EPV為有效峰值速度。

        可求得EPA及EPV的對數(shù)坐標(biāo)如圖3、圖4所示。

        圖3 EPA的對數(shù)坐標(biāo)

        圖4 EPV的對數(shù)坐標(biāo)

        EPV=0.38 m/s;EPA=4.8 m/s2

        Tg=2π(EPV/EPA)=2π(0.38/4.8)=0.49742 s

        該橋所在場地地震特征周期為0.45 s,與實錄特征周期0.497 42較為接近,故實錄波的特征周期適用于本橋。

        5 時程分析法計算結(jié)果

        采用集中鉸彈塑性梁單元對橋梁延性構(gòu)件橋墩進(jìn)行模擬,在E2地震作用下對橋墩進(jìn)行Pushover分析,可以得到墩底截面的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線,以及橋墩的最大彎矩、軸力、墩頂最大位移等。

        墩底彎矩(圖5)在2.24 s達(dá)到最大值16 600 kN·m,在12.31 s達(dá)到最小值-10 250 kN·m。

        圖5 墩底彎矩時程曲線

        在地震作用激勵下,墩頂位移(圖6)在2.46 s時達(dá)到最大,最大值約22.7 cm。

        圖6 橋墩墩頂位移時程曲線

        圖7 橋墩墩底軸力時程曲線

        橋墩墩底轉(zhuǎn)動角(圖8)在2.24 s時達(dá)到最大轉(zhuǎn)角0.001 213 rad。

        圖8 橋墩墩底轉(zhuǎn)角時程曲線

        通過圖5~圖8可以清晰的看到在地震過程中橋墩的彎矩、軸力、轉(zhuǎn)角、墩頂位移隨著時間變化,并發(fā)現(xiàn)在2.24 s附近橋墩的受力最不利。

        塑性鉸區(qū)域的塑性轉(zhuǎn)角計算過程如下:

        Lp1=2/3×b=2/3×250=166.7 cm

        Lp2=0.08H+0.22fyds=466.4cm>0.044×400×2.8=49.28 cm

        Lp取166.7 cm

        圓形截面的等效屈服曲率Φy:

        ΦyD=2.213×0.002

        Φy=2.213×0.002/2.2=0.00177(1/m)

        圓截面的極限曲率Φu:

        (1)ΦuD=(2.826x10-3+6.850εcu)-(8.575x10-3+18.638εcu)(P/fc/Ag) =0.0328

        (2)ΦuD=(1.635x10-3+1.179εs)-(28.739xεs2+0.656εs +0.010)(P/fc/Ag)=0.08

        取兩者中的較小值:

        Φu=0.0328/2.5=0.013135

        塑性鉸區(qū)域的最大容許轉(zhuǎn)角θu

        =Lp(Φu -Φy)/K

        =166.7/100x(0.0328-0.00177)/2=0.00947

        根據(jù)共軛梁法可求得整個橋墩構(gòu)件潛在塑性鉸區(qū)域的塑性轉(zhuǎn)角θp

        θp=0.003874+0.000282+0.000022=0.0042

        θp <θu,滿足規(guī)范要求。

        Δ容=1/3x27.52×0.00177+(27.5-166.7/2)x0.00947=0.797m

        Δ=22.7cm<Δ容=79.7cm

        通過計算可以得出順橋向的最大曲率小于墩底截面的屈服曲率,即地震作用下墩底截面并未進(jìn)入屈服狀態(tài);橋墩墩頂位移小于容許位移值;從墩底截面的彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線(圖9)可以看出橋墩在地震作用下墩底截面有開裂現(xiàn)象發(fā)生。

        圖9 墩底截面的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線

        6 結(jié)束語

        本文對高墩橋梁下部結(jié)構(gòu)采用時程分析法進(jìn)行地震分析,橋墩墩頂位移、墩底截面轉(zhuǎn)角等均小于規(guī)范的容許值;本文時程分析法選取地震波的過程及通過Pushover進(jìn)行塑性分析,對非規(guī)則橋梁的抗震分析具有指導(dǎo)意義,可供廣大橋梁工程設(shè)計者借鑒。

        [1] JTG/T B02-01-2008《公路橋梁抗震細(xì)則》[S].

        [2] JTG D62-2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》[S] .

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

        [4] 范立礎(chǔ),卓衛(wèi)東. 橋梁延性抗震設(shè)計[M]北京:人民交通出版社,2001.

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