饒家萁

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 四川成都 610000)

振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)是考察結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)和破壞機(jī)理最直接的方法，也是研究與評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)抗震性能的重要手段之一[1]。對(duì)于實(shí)際中的結(jié)構(gòu)施工尺寸誤差相對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)來說影響不大，而對(duì)于試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，特別是混凝土試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠碚f，施工尺寸誤差會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。本文依托某振動(dòng)臺(tái)T型剛構(gòu)橋模型試驗(yàn)方案，建立設(shè)計(jì)方案和實(shí)際結(jié)果兩種情況下的數(shù)值模型，并對(duì)動(dòng)力特性以及地震時(shí)程分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

1 方案設(shè)計(jì)

某T型剛構(gòu)橋模型按原橋1/10的比例尺進(jìn)行縮放，全橋均采用C40混凝土澆筑，整體布置見圖1。主梁采用單箱單室截面，梁高按二次曲線變化，變梁高端長(zhǎng)111cm,橋墩采用空心矩形截面，墩底設(shè)置50cm實(shí)心段，設(shè)計(jì)承臺(tái)方便模型與振動(dòng)臺(tái)錨固。主梁及橋墩各截面尺寸見圖2?，F(xiàn)今混凝土施工水平有限，箱梁頂板整體偏厚1cm,底板偏厚0.5cm;橋墩外輪廓尺寸為設(shè)計(jì)值，空心截面壁厚偏厚0.5cm。

圖1 整體布置(單位：cm)

圖2 主梁及橋墩截面(單位：cm)

2 有限元模型建立

橋梁震害資料表明[2]，主梁在地震作用下發(fā)生破壞可能性比較小，多處于線彈性階段，采用OpenSEES中彈性梁柱單元(ElasticBeamColumnElement);橋墩為易損構(gòu)件，采用橋墩采用非線性纖維梁柱單元(ForceBeamColumnElement),以便得到橋墩截面各點(diǎn)鋼筋和混凝土應(yīng)力應(yīng)變[3]。本文采用OpenSEES中的單軸材料Steel02模擬鋼筋，Concret01模擬混凝土，并考慮約核心混凝土約束效應(yīng)，梁端邊界約束橫橋向豎橋向平動(dòng)以及縱向扭轉(zhuǎn)。地震荷載采用一致激勵(lì)，分別分析縱橋向、橫橋向和豎橋向地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

3 動(dòng)力特性分析

頻率和振型是反應(yīng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的重要指標(biāo)，是結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布和剛度分布的重要體現(xiàn)指標(biāo)。設(shè)計(jì)模型和實(shí)際模型橋動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果見表1,模型誤差主要出現(xiàn)在梁頂?shù)装搴穸群蜆蚨站匦慰招慕孛婧穸?。根?jù)截面特性計(jì)算公式，尺寸對(duì)截面特性影響為4次、對(duì)質(zhì)量影響為3次，盡管尺寸誤差對(duì)剛度影響較大，但結(jié)果并非一致增大?？赡茉蚴牵簩?duì)于該結(jié)構(gòu)雖然截面特性增大，但該截面剛度不參與或者參與某一振型較少，而質(zhì)量均參與貢獻(xiàn)，如一階縱飄，主梁剛度參與剛度貢獻(xiàn)較少，質(zhì)量增加，頻率降低。

4 地震時(shí)程分析

有限元模型中，在各支撐點(diǎn)采用一致地震輸入時(shí)，多質(zhì)點(diǎn)體系的地震振動(dòng)方程為[4]：

表1 動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果

本文采用汶川實(shí)測(cè)地震波進(jìn)行分析，圖3為實(shí)測(cè)地震波三個(gè)方向的加速度時(shí)程,阻尼比取0.05時(shí)反應(yīng)譜見圖4。地震動(dòng)詳細(xì)數(shù)據(jù)見表2。

圖3 地震動(dòng)加速度時(shí)程

圖4 地震反應(yīng)譜

表2 輸入地震動(dòng)信息

分別作用縱向、橫向和豎向地震荷載，分別提取墩頂縱向、橫向和跨中的位移、速度和加速度的最大值，結(jié)果見表3。結(jié)果表明：在橫向地震荷載作用下設(shè)計(jì)模型和實(shí)際模型位移、速度和加速度差值均1.6 %以下，這與梁端邊界約束了橫向位移有關(guān)，橫向響應(yīng)受到邊界約束；縱向和豎向荷載作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)差值均在3.3 %以上，且實(shí)際模型響應(yīng)均比設(shè)計(jì)模型小，這與實(shí)際模型截面增大，截面剛度增加有關(guān)。

地震作用下，橋墩為易損構(gòu)件，塑性鉸往往出現(xiàn)在墩底。地震作用下提取墩底截面曲率、最外側(cè)鋼筋混凝土應(yīng)力應(yīng)變最大值，鋼筋應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果見表4。結(jié)果表明在豎向地震作用下鋼筋應(yīng)力應(yīng)變均在2.5 %以內(nèi)；橫向豎向地震作用下鋼筋應(yīng)力應(yīng)變差別均在6 %以上?；炷翍?yīng)力應(yīng)變結(jié)果見表5，混凝土與鋼筋結(jié)果表現(xiàn)一致。

表3 時(shí)程分析位移速度加速度結(jié)果

表4 鋼筋應(yīng)力應(yīng)變表

5 結(jié)束語

根據(jù)OpenSEES建模分析得到的結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

表5 混凝土應(yīng)力應(yīng)變表

(1)施工尺寸誤差對(duì)動(dòng)力特性結(jié)果影響相對(duì)較小均在4 %以內(nèi)，不同振型影響大小存在差異，主要與邊界條件有關(guān)。

(2)試驗(yàn)?zāi)Ｐ臀灰扑俣燃铀俣鹊软憫?yīng)受施工尺寸差值相對(duì)較大，達(dá)到9 %，在進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮尺寸誤差的影響。

(3)墩底為危險(xiǎn)截面，施工誤差對(duì)鋼筋混凝土應(yīng)力應(yīng)變影響相對(duì)較大，達(dá)到9.5 %，使截面應(yīng)力應(yīng)變?cè)龃螅瑫?huì)使墩底塑性鉸出現(xiàn)提前，試驗(yàn)設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)考慮。