黃 輝

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 四川成都610031)

我國處于地震頻發(fā)地區(qū)，地震發(fā)生頻率高，地震震級大，對于橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞是巨大的。對于處于交通咽喉位置的橋梁結(jié)構(gòu)，如果設(shè)計未能充分考慮地震作用帶來的危害，可能發(fā)生地震作用下橋梁垮塌等事故，從而破壞交通線路影響抗震救災(zāi)工作[1-2]。因此，對于橋梁結(jié)構(gòu)進行抗震分析計算具有重要的意義。本文以一座大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋為研究對象，采用有限元方法，建立用于動力分析的桿系模型，對結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)進行詳細的計算和分析，為類似橋型的抗震設(shè)計提供參考。

1 工程概況

犍為岷江二橋是一座特大型橋梁，橋梁全長2 029m。主橋為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，橋跨布置為118m+ 215m+ 118m，主梁采用單箱單室截面，全寬13m，箱梁高度由橋墩處13.75m按照1.6次曲線變化至跨中處及端部4.6m。同時，箱梁頂?shù)装寮案拱搴穸染芍ё幭蚩缰刑庍f減，頂板厚度在0.3～0.5m變化，底板厚度在0.32～1.46m變化，腹板厚度在0.5～0.7m變化。主墩墩身高度約30.0m，采用鋼筋混凝土雙肢薄壁墩身，承臺接鉆孔灌注樁基礎(chǔ)；每個墩身雙肢間凈距6.0m，每肢縱向厚度2.0m，橫向?qū)挾?.5m，兩側(cè)為圓端型；承臺采用整體式，順橋向長16.0m，橫橋向?qū)?0.0m，厚5.5m；基礎(chǔ)按嵌巖樁設(shè)計，一個承臺采用18根直徑2.5m鉆孔灌注樁。主橋總體布置如圖1所示。

圖1 主橋總體布置(單位:m)

2 計算模型

采用大型有限元軟件MidasCivil建立岷江二橋的動力計算模型。計算模型中主梁、薄壁墩采用梁單元模擬，主梁線形根據(jù)每個截面的形心軸確定，全橋共劃分單元196個。模型邊界條件為: 主墩底完全固結(jié)，邊跨端部采用彈性連接剛接，約束豎向、橫向和繞橋縱軸向的位移，主墩和主梁連接部位采用剛性連接。模型參數(shù)取值為：主梁混凝土強度等級C60，彈性模量3.6×104MPa，泊松比0.2，容重25kN/m3；主墩混凝土強度等級C50，彈性模量3.45×104MPa，泊松比0.2，容重25kN/m3，重力加速度g=9.81m/s2.主橋動力計算模型如圖2所示。

圖2 主橋有限元模型

3 結(jié)果分析

根據(jù)動力計算模型，采用多重Ritz向量法計算得到大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的動力特性，共計算了主橋前50階振型，前10階振型的周期、頻率和振型特征如表1所示，圖3給出了前10階的振型圖。從表1和圖3可以看出：岷江二橋的結(jié)構(gòu)基頻為0.729 0Hz，小于一般連續(xù)剛構(gòu)體系的基頻，這表明雙肢薄壁墩能夠在一定程度上使得橋梁整體結(jié)構(gòu)具有柔性特征；前10階振型中有5階為縱向偏移，其中第2階縱橋向質(zhì)量參與系數(shù)為21.16 %，由于橋墩高度較大，有可能在順橋向產(chǎn)生較大塑形轉(zhuǎn)角，應(yīng)加強塑性鉸區(qū)域的設(shè)計和處理。

表1 模型前10階振型動力特性及振型特點

第1階振型

第2階振型

第3階振型

第4階振型

第5階振型

第6階振型

第7階振型

第8階振型

第9階振型

第10階振型圖3 模型前10階振型示意

本文采用時程法(線性)分析連續(xù)剛構(gòu)橋的地震響應(yīng)。岷江二橋橋址處地震基本烈度7級，50年超越概率10 %地震動加速度為0.095g，場地類別為II類中軟場地類型，因此須按8度設(shè)防，采用EI-Centro波作為地震動輸入。同時，對EI-Centro波進行修正，使得水平方向的地震波加速度峰值為0.3g，對于其周期則不予修正。輸入的EI-Centro地震波加速度時程曲線如圖4所示。

圖4 地震波加速度時程曲線

在一致激勵情況下，考慮地震運動方向的多維特性，輸入的地震波激勵為：縱橋向+豎向，縱橋向為水平地震波，豎向為豎向地震波，豎向波峰值為水平波的2/3。圖5給出了時程法求解的控制截面響應(yīng)——24#主墩左肢和25#主墩右肢底部順橋向彎矩響應(yīng)。

(a)X方向地震動24#主墩左肢響應(yīng)

(b)X方向地震動25#主墩左肢響應(yīng)

(c)Z方向地震動24#主墩左肢響應(yīng)

(d)Z方向地震動25#主墩左肢響應(yīng)

(e)X-Z方向地震動24#主墩左肢響應(yīng)

(f)X-Z方向地震動25#主墩左肢響應(yīng)圖5 地震波加速度時程曲線

從圖5中可以看出，在X方向地震動單獨作用時，24#主墩左肢的最大彎矩響應(yīng)峰值為1.080×104kN·m，發(fā)生在3.230s；25#主墩右肢的最大彎矩響應(yīng)峰值為1.080×104kN·m，發(fā)生在3.230s。在Z方向地震動單獨作用時，24#主墩左肢的最大彎矩響應(yīng)峰值為8.086×103kN·m，發(fā)生在5.480s；25#主墩右肢的最大彎矩響應(yīng)峰值為8.067×103kN·m，發(fā)生在5.480s。而當考慮多維地震動時，24#主墩左肢的最大彎矩響應(yīng)峰值為1.108×104kN·m，發(fā)生在2.490s；25#主墩右肢的最大彎矩響應(yīng)峰值為1.740×104kN·m，發(fā)生在2.240s?？梢钥闯觯嗑S地震動情況下，橋梁結(jié)構(gòu)的各階振型被直接或間接的激發(fā)，表現(xiàn)出空間耦合特征。對于不同的地震動情況，橋梁關(guān)鍵截面響應(yīng)峰值和對應(yīng)時間均不同。因此，在多維地震激勵時，應(yīng)考慮到與一維地震激勵情況下結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的不同，合理設(shè)計結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

本文以一座連續(xù)剛構(gòu)橋為工程背景，通過建立其有限元模型，對岷江二橋的動力特性進行了計算，并采用時程法(線性)對其地震響應(yīng)進行了分析，得出如下結(jié)論。

(1)岷江二橋的結(jié)構(gòu)基頻為0.729 0Hz，小于一般連續(xù)剛構(gòu)體系的基頻，這表明雙肢薄壁墩能夠在一定程度上使得橋梁整體結(jié)構(gòu)具有柔性特征；前10階振型中有5階為縱向偏移，由于橋墩高度較大，有可能在順橋向產(chǎn)生較大塑形轉(zhuǎn)角，應(yīng)加強塑性鉸區(qū)域的設(shè)計和處理。

(2)在多維地震動作用下，橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)具有一定的空間耦合性。因此，在抗震分析和設(shè)計時，只采用一維地震激勵輸出得到的結(jié)果偏于不安全，應(yīng)當采用與實際相近的多維地震激勵。