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        大跨連續(xù)剛構(gòu)橋系梁地震響應(yīng)分析

        2018-08-14 08:26:44曾金明
        交通科技 2018年4期
        關(guān)鍵詞:墩底系梁墩身

        曾金明

        (中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 武漢 430056)

        隨著科學(xué)技術(shù)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)和交通事業(yè)的發(fā)展,我國(guó)西南、西北公路和鐵路的興建,由于很多橋梁不得不跨越河谷和深溝,地形復(fù)雜、山高坡陡,大都采用高墩,使橋式更為經(jīng)濟(jì)合理。由于連續(xù)剛構(gòu)橋墩高較高,其抗震性能較為復(fù)雜,因而對(duì)其抗震性能的研究較為重視,其中目前對(duì)大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的地震響應(yīng)研究集中在行波效應(yīng)、多點(diǎn)激勵(lì)、樁-土模型[1-2],以及高低墩動(dòng)力性能等方面。而對(duì)于雙薄壁墩間設(shè)置系梁[3-4]對(duì)其地震響應(yīng)影響的研究較少。

        本文首先以單個(gè)橋墩為研究對(duì)象,分析系梁參數(shù)對(duì)橋墩內(nèi)力的影響;然后以整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,基于Perfom-3D有限元軟件,分析系梁進(jìn)入屈服后對(duì)橋墩內(nèi)力的影響,為大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的抗震設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。

        1 系梁參數(shù)對(duì)橋墩內(nèi)力的影響

        1.1 系梁數(shù)量設(shè)置

        建立力學(xué)分析模型時(shí),橋墩高度為30 m,采用圓形截面,直徑為1.6 m,橋墩肢間距為5.6 m,上部結(jié)構(gòu)的重量以集中質(zhì)量的形式施加于墩頂,考慮上部結(jié)構(gòu)作用在一個(gè)橋墩墩頂?shù)募匈|(zhì)量是3 000 t,為了分析設(shè)置系梁道數(shù)對(duì)橋墩內(nèi)力的影響,系梁采用直徑為1.4 m的圓截面,橋墩和系梁均采用C40混凝土。系梁沿著橫橋向進(jìn)行布置,設(shè)置1道系梁時(shí),系梁布置在橋墩高度的中間,設(shè)置2道系梁時(shí),系梁分別設(shè)置在橋墩高度的1/3,2/3處,考慮與墩頂質(zhì)量相同大小的水平力,對(duì)3種力學(xué)模型進(jìn)行受力分析,分別為①無(wú)橫系梁;②設(shè)置1道系梁;③設(shè)置2道系梁。其彎矩圖見(jiàn)圖1。

        圖1 考慮系梁設(shè)置模型的彎矩圖(單位:kN·m)

        由圖1可見(jiàn),與無(wú)橫系梁模型相比,設(shè)置1道系梁的橋墩最大彎矩減小了41.48%,設(shè)置2道系梁的橋墩最大彎矩減小了56.68%,因此,通過(guò)設(shè)置系梁可有效減小橋墩彎矩。

        1.2 系梁與橋墩剛度比值

        為研究系梁剛度對(duì)橋墩內(nèi)力的影響,按照2道系梁設(shè)置時(shí),系梁截面直徑分別取1.2,1.4和1.6 m,這時(shí),系梁與橋墩的抗彎剛度之比分別為0.3,0.6和1。

        對(duì)上述設(shè)置的3種力學(xué)模型進(jìn)行受力分析,得到的彎矩圖如圖2所示。

        圖2 考慮剛度模型的彎矩圖(單位:kN·m)

        由圖2可見(jiàn),隨著系梁剛度的增大,橋墩彎矩值逐漸減小。與系梁截面直徑1.2 m相比,當(dāng)系梁截面直徑為1.4 m時(shí),橋墩最大彎矩值減小了11.89%;當(dāng)系梁截面直徑為1.6 m時(shí),橋墩最大彎矩值減小了18.63%。

        2 橋梁模型的建立及動(dòng)力特性分析

        2.1 有限元模型的建立

        主橋?yàn)?5 m+180 m+95 m的連續(xù)剛構(gòu)橋。主橋橋墩采用雙肢矩形空心墩,順橋?qū)挾葹?.5 m、橫橋?qū)挾葹?.0 m、壁厚均為0.9 m,墩間距為7.0 m,墩高為80 m。

        在混凝土橋墩中,合理定義橋墩的恢復(fù)力模型[5-6]對(duì)準(zhǔn)確模擬橋墩的非線性十分關(guān)鍵。本文定義分析系梁設(shè)置對(duì)橋梁順橋方向的非線性地震響應(yīng)影響,故橋墩纖維只針對(duì)順橋方向進(jìn)行條形劃分。一般橋梁設(shè)計(jì)中要求橋梁的上部結(jié)構(gòu)處于彈性,而歷次的地震震害也表明上部結(jié)構(gòu)一般不會(huì)發(fā)生明顯的破壞,所以主梁采用彈性單元。不考慮樁-土相互作用效應(yīng),在墩底固結(jié)。

        分別建立2種計(jì)算模型[7-8],模型1為不考慮雙薄壁墩中的系梁,模型2在橋墩中部處設(shè)置系梁,有限元模型見(jiàn)圖3。

        圖3 有限元模型

        2.2 動(dòng)力特性分析

        結(jié)構(gòu)的自振特性與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度大小及分布相關(guān),他們決定著結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特性,2種計(jì)算模型的前10階周期如圖4。

        圖4 周期對(duì)比圖

        由圖4可見(jiàn),系梁設(shè)置提高了橋梁的整體剛度,即系梁設(shè)置后的結(jié)構(gòu)自振周期有所減小。

        3 動(dòng)力增量非線性分析

        高墩橋梁由于墩體的自重大,阻尼小,在墩頂還要承受巨大的上部結(jié)構(gòu)傳遞下來(lái)的荷載,就形成了對(duì)抗震不利的倒擺式結(jié)構(gòu),從而橋墩成為抗震的薄弱環(huán)節(jié);再者,在地震作用下,由于高墩墩頂產(chǎn)生很大的橫向位移,現(xiàn)行《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》規(guī)定,一般情況下,橋墩采用反應(yīng)譜理論計(jì)算,對(duì)于橋墩高度超過(guò)30 m的特大橋梁,可采用動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法,但是隨著理論分析和實(shí)驗(yàn)研究的深入,對(duì)于高墩橋梁這樣幾何非線性非常明顯的結(jié)構(gòu),應(yīng)進(jìn)行非線性地震響應(yīng)分析[9-10]。為進(jìn)一步分析系梁對(duì)橋梁非線性地震響應(yīng)的影響,選擇不同場(chǎng)地條件下的7條地震波,其中El-centro地震波的加速度時(shí)程曲線如圖5所示,選擇7條地震波分別對(duì)模型1和模型2進(jìn)行非線性時(shí)程分析。限篇幅僅列出El-Centro地震波作用下橋墩地震響應(yīng)隨地震加速度的變化曲線,見(jiàn)圖6。

        圖5 El-Centro地震波加速度時(shí)程曲線

        圖6 橋墩地震響應(yīng)變化曲線

        由圖6可見(jiàn),隨著地震加速度峰值的增加,橋墩的地震響應(yīng)也隨著增加;以墩底曲率為例,在加速度為0.3g時(shí),設(shè)置系梁后的墩底曲率增大了49.3%;在加速度為0.7g時(shí),設(shè)置系梁后的墩底曲率增大了79.5%;在加速度為1.0g時(shí),設(shè)置系梁后的墩底曲率增大了102.6%。

        以墩身曲率為例,進(jìn)一步分析增設(shè)系梁對(duì)墩身地震響應(yīng)值的影響。El-centro地震波作用下曲率沿墩身的曲線如圖7所示。在該地震波下相對(duì)于模型1,模型2的墩身曲率變化率沿墩身的變化情況列于圖8,僅以地震波加速度峰值為0.1g和0.5g作用下為例。

        圖7 曲率沿墩身曲線

        圖8 墩身曲率變化率曲線

        由圖7、圖8可見(jiàn),隨著地震加速度峰值的增加,墩身的曲率也隨之增大;設(shè)置的系梁對(duì)墩身曲率的影響也在增大;模型1中墩頂和墩底曲率較大,墩身曲率沿著墩身分別由墩頂和墩底向墩身逐漸減小,在墩身中部曲率幾乎為0。模型2由于設(shè)置了系梁,所以除了墩頂和墩底處的曲率較大外,設(shè)置系梁處墩身曲率也較大,甚至超過(guò)墩頂曲率;相對(duì)于不設(shè)置系梁,設(shè)置系梁后橋墩曲率增大率在加速度峰值為0.1g時(shí)達(dá)484%,在0.5g時(shí)達(dá)到870%;而在橋墩其他部位處的墩身曲率變化相對(duì)不明顯。增設(shè)系梁的橋墩在地震響應(yīng)分析時(shí),薄弱部位除了考慮墩頂和墩底外,還應(yīng)當(dāng)考慮設(shè)置系梁處的部位。

        為了分析系梁與橋墩屈服的先后順序,系梁采用纖維模型建立計(jì)算模型3,圖9為在El-centro地震波作用下,加速度峰值為0.3g時(shí)系梁與橋墩墩底的滯回曲線。圖10為加速度峰值為0.5g時(shí),El-centro地震波作用下彎矩、曲率沿墩身的變化曲線。

        圖9 系梁與墩底滯回曲線

        圖10 墩身彎矩、曲率變化曲線

        由圖9可見(jiàn),在加速度為0.3g時(shí),系梁進(jìn)入屈服,而橋墩墩底處于開(kāi)裂狀態(tài),系梁先于橋墩進(jìn)入屈服程度。設(shè)置適中剛度的系梁,使之在常遇地震下處于彈性范圍,可以有效地調(diào)整框架內(nèi)力,減少墩身彎矩;而在設(shè)計(jì)地震或罕遇地震下能夠先于墩身進(jìn)入塑性狀態(tài),通過(guò)系梁的損傷來(lái)消耗一部分地震動(dòng)能量的輸入,減少下部承重結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)的安全。

        由圖10可見(jiàn),在系梁之上的橋墩部分,模型2的墩身彎矩和曲率大于模型3相應(yīng)的墩身彎矩和曲率;在系梁之下的橋墩部分,模型2的墩身彎矩和曲率小于模型3相應(yīng)的墩身彎矩和曲率;從整體來(lái)看,相對(duì)于模型3,模型2的墩身彎矩和曲率的增大、減小幅度都很小。這說(shuō)明,雖然系梁屈服有一定的耗能作用,但對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)地震影響的程度不大。

        4 結(jié)論

        1) 合理設(shè)置系梁可以適當(dāng)?shù)販p小橋墩彎矩值,并且隨著系梁剛度的增大,橋墩彎矩減小的程度有所增加,也就是說(shuō)可以通過(guò)系梁的設(shè)置,消耗地震的作用,以此來(lái)保護(hù)橋墩安全。

        2) 增設(shè)系梁后,在設(shè)置系梁處的墩身彎矩、曲率明顯增大,甚至超過(guò)墩頂?shù)膹澗睾颓?,因此在地震作用下系梁設(shè)置處的橋墩成為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)。例如,在W1地震波作用下,系梁設(shè)置處墩身彎矩為186 910 kN·m,相比不設(shè)置系梁增大了332%,超過(guò)墩頂彎矩145 950 kN·m。

        3) 設(shè)置適中剛度的系梁,使系梁先于橋墩進(jìn)入屈服,消耗了地震能量,提高了橋墩的抗震性能,但是屈服后的系梁對(duì)橋墩地震響應(yīng)的影響很小。

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