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        不同地震動情況下的大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋梁響應(yīng)分析

        2019-07-19 09:01:06
        四川建筑 2019年3期
        關(guān)鍵詞:主墩剛構(gòu)橋震動

        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。

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