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        廣西柳州鳳凰嶺大橋抗震設(shè)計(jì)

        2022-02-25 03:21:42
        城市道橋與防洪 2022年1期
        關(guān)鍵詞:橋梁結(jié)構(gòu)

        龐 偉

        (廣西柳州市城市投資建設(shè)發(fā)展有限公司,廣西 柳州 545000)

        0 引 言

        隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人們對(duì)橋梁建筑的美學(xué)要求不斷提高,出現(xiàn)了更多形式新穎的橋梁建筑形式。其中,在普遍應(yīng)用的大跨度連續(xù)梁橋上,興建具有地方特色的橋上建筑的結(jié)構(gòu)形式不斷涌現(xiàn),廣西柳州鳳凰嶺大橋便是地域特色與橋梁結(jié)構(gòu)形式完美融合的典型代表。

        本文以廣西柳州鳳凰嶺大橋?yàn)榻ㄔO(shè)工程為背景,采用數(shù)值模擬方法,進(jìn)行含有橋上建筑的大跨連續(xù)梁橋的地震反應(yīng)分析與驗(yàn)算。驗(yàn)算結(jié)果表明,該橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能滿(mǎn)足規(guī)范要求。

        1 工程概況與有限元模型

        1.1 工程概況

        柳州市鳳凰嶺大橋主橋采用跨徑布置為(96+124+3×130+90)m=700m等高連續(xù)組合梁方案(見(jiàn)圖1)。橋面全寬46.6m,等高雙箱單室鋼箱組合梁斷面,梁高6.5m(見(jiàn)圖2)。中墩采用箱型截面空心墩,截面尺寸為5.5m×39.5m,立柱為空心截面,壁厚0.8m。中墩承臺(tái)為圓端形,承臺(tái)平面尺寸為6.48m×40.5m,厚度3.0m,采用18根φ1.8m鉆孔灌注樁(見(jiàn)圖3、圖5、圖7)。邊墩采用矩形實(shí)心截面,截面尺寸為4.0m×38.5m,承臺(tái)為矩形整體式,平面尺寸為6.25m×39.5m,厚度3.0m,采用18根φ1.5m鉆孔灌注樁(見(jiàn)圖4、圖6、圖7)。主梁的鋼梁主體結(jié)構(gòu)采用Q345qC鋼,其余各部件混凝土使用情況見(jiàn)表1。

        表1 混凝土使用情況

        圖1 主橋立面圖

        圖2 主橋斷面圖(單位:mm)

        圖3 主橋中墩樁基布置圖

        圖4 主橋邊墩樁基布置圖

        圖5 中墩配筋圖

        圖6 邊墩配筋圖

        圖7 樁基配筋圖

        1.2 有限元模型

        橋墩、鋼箱主梁、橋上建筑鋼結(jié)構(gòu)桿件均采用梁?jiǎn)卧M,承臺(tái)近似按剛體模擬,其質(zhì)量堆聚在承臺(tái)質(zhì)心,墩底與承臺(tái)中心及樁頂中心節(jié)點(diǎn)主從相連,二期恒載以均布線(xiàn)質(zhì)量的形式加載至主梁?jiǎn)卧?。主橋設(shè)計(jì)采用球型鋼支座,其中橋墩4#處設(shè)置固定支座,其余橋墩均布置滑動(dòng)支座。采用六彈簧模型模擬各群樁基礎(chǔ)的影響,彈簧剛度根據(jù)土層狀況和樁的布置形式按靜力等效原則確定,由土層資料確定m值。根據(jù)上述模擬方法,以SAP2000軟件為建模工具,建立的全橋有限元模型見(jiàn)圖8。

        圖8 全橋空間動(dòng)力計(jì)算模型

        2 地震動(dòng)輸入

        本橋地震基本烈度為6度,水平向地震動(dòng)峰值加速度0.05g。建筑工程抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi),建筑場(chǎng)地類(lèi)別Ⅱ類(lèi),多遇地震的場(chǎng)地特征周期為0.35s,設(shè)計(jì)安全等級(jí)一級(jí),結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1。根據(jù)規(guī)范[1-3]得到地震動(dòng)加速度目標(biāo)反應(yīng)譜見(jiàn)圖9。根據(jù)給出的目標(biāo)反應(yīng)譜生成人工波,選擇與目標(biāo)反應(yīng)譜擬合較好的3條地震波進(jìn)行計(jì)算,并取最大值作為最終結(jié)果。

        圖9 加速度反應(yīng)譜

        3 E1地震作用下地震反應(yīng)分析與抗震驗(yàn)算

        3.1 反應(yīng)譜分析結(jié)果

        對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)在E1地震作用下進(jìn)行反應(yīng)譜分析,得到結(jié)構(gòu)重要部件關(guān)鍵截面內(nèi)力見(jiàn)表2、表3。

        表2 橋墩墩底截面內(nèi)力

        表3 主橋樁基礎(chǔ)地震響應(yīng)

        3.2 非線(xiàn)性時(shí)程分析結(jié)果

        對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)在E1地震作用下進(jìn)行非線(xiàn)性時(shí)程分析,得到結(jié)構(gòu)重要部件關(guān)鍵截面內(nèi)力見(jiàn)表4~表6。

        表4 橋墩墩底截面內(nèi)力

        表6 橋上建筑鋼結(jié)構(gòu)桿件最大應(yīng)力驗(yàn)算

        表5 主橋樁基礎(chǔ)地震響應(yīng)

        根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GJJ166—2011)[1]與《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD64—2015)[4]的規(guī)定,對(duì)E1地震作用下反應(yīng)譜及非線(xiàn)性時(shí)程分析結(jié)果展開(kāi)驗(yàn)算。限于篇幅,列出部分橋上建筑鋼構(gòu)件在E1非線(xiàn)性時(shí)程分析中的驗(yàn)算結(jié)果,反應(yīng)譜的計(jì)算結(jié)果雖未給出,但滿(mǎn)足規(guī)范要求,驗(yàn)算表中的界限值對(duì)應(yīng)于正應(yīng)力??梢钥闯觯瑯蚨?、樁基礎(chǔ)關(guān)鍵截面、橋上鋼構(gòu)件抗彎承載力滿(mǎn)足規(guī)范要求。

        4 E2地震作用下地震反應(yīng)分析與抗震驗(yàn)算

        4.1 反應(yīng)譜分析結(jié)果

        對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)在E2地震作用下進(jìn)行反應(yīng)譜分析,得到結(jié)構(gòu)重要部件關(guān)鍵截面內(nèi)力見(jiàn)表7、表8。

        表7 橋墩墩底截面內(nèi)力

        表8 主橋樁基礎(chǔ)地震響應(yīng)

        4.2 非線(xiàn)性時(shí)程分析結(jié)果

        對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)在E2地震作用下進(jìn)行非線(xiàn)性時(shí)程分析,得到結(jié)構(gòu)重要部件關(guān)鍵截面內(nèi)力見(jiàn)表9~表11。

        表9 橋墩墩底截面內(nèi)力

        表10 主橋樁基礎(chǔ)地震響應(yīng)

        表11 橋上建筑鋼結(jié)構(gòu)桿件最大應(yīng)力驗(yàn)算(非線(xiàn)性時(shí)程分析法)

        對(duì)E2地震作用下反應(yīng)譜及非線(xiàn)性時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果展開(kāi)驗(yàn)算。限于篇幅,列出部分橋上建筑鋼構(gòu)件在E2非線(xiàn)性時(shí)程分析中的驗(yàn)算結(jié)果,反應(yīng)譜的計(jì)算結(jié)果雖未列出,但滿(mǎn)足規(guī)范要求,驗(yàn)算表中的界限值對(duì)應(yīng)于正應(yīng)力。可以看出,橋墩、樁基礎(chǔ)關(guān)鍵截面、橋上鋼構(gòu)件抗彎承載力滿(mǎn)足規(guī)范要求。

        5 橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析方法

        目前,可采用的地震反應(yīng)分析方法包括靜力法、反應(yīng)譜法和非線(xiàn)性時(shí)程分析法。其中,靜力法由于忽略了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,因而具有很大的局限性,所以本研究采用反應(yīng)譜法和非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法,對(duì)廣西柳州鳳凰嶺大橋開(kāi)展抗震設(shè)計(jì)與驗(yàn)算。反應(yīng)譜法計(jì)算簡(jiǎn)便,可以通過(guò)較少的計(jì)算量獲得結(jié)構(gòu)的最大反應(yīng)值,因而成為各國(guó)規(guī)范中的基本分析手段。但反應(yīng)譜只是彈性范圍內(nèi)的概念,沒(méi)有考慮結(jié)構(gòu)的塑性發(fā)展,而且只能得到結(jié)構(gòu)最大反應(yīng),不能反映結(jié)構(gòu)在地震動(dòng)過(guò)程中的經(jīng)歷和地震持續(xù)時(shí)間的影響,因而本研究在反應(yīng)譜分析法的基礎(chǔ)上同時(shí)采用了可考慮各種非線(xiàn)性因素的、較為精確的非線(xiàn)性時(shí)程分析法,對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)和橋上建筑的地震動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行研究。從兩種方法的計(jì)算結(jié)果來(lái)看,反應(yīng)譜方法和非線(xiàn)性時(shí)程法的結(jié)果互相印證和校核,差距在合理范圍內(nèi),確保了鳳凰嶺大橋抗震分析的準(zhǔn)確性和可靠程度。

        6 結(jié)語(yǔ)

        本文以廣西柳州鳳凰嶺大橋工程為背景,采用兩水平抗震設(shè)計(jì)方法,對(duì)含有橋上建筑的大跨連續(xù)梁橋在E1、E2地震作用下采用反應(yīng)譜法和非線(xiàn)性時(shí)程分析法,以SAP2000(v19.2)軟件作為建模工具,進(jìn)行了地震反應(yīng)分析與驗(yàn)算,得到了如下結(jié)論,對(duì)該類(lèi)橋梁的抗震設(shè)計(jì)提供了參考。

        (1)在E1地震作用下,主橋樁基礎(chǔ)最不利單樁截面地震彎矩小于其初始屈服彎矩,保持彈性工作狀態(tài),橋墩關(guān)鍵截面和上部鋼桁架桿件亦保持彈性工作狀態(tài)。

        (2)在E2地震作用下,橋墩關(guān)鍵截面及樁基礎(chǔ)最不利單樁截面地震彎矩小于其等效屈服彎矩,滿(mǎn)足其各自性能目標(biāo),上部鋼桁架所有構(gòu)件均能滿(mǎn)足強(qiáng)度要求,支座位移滿(mǎn)足要求。

        (3)本研究采用了反應(yīng)譜法和非線(xiàn)性時(shí)程分析法兩種地震動(dòng)分析方法對(duì)廣西柳州鳳凰嶺大橋開(kāi)展了地震動(dòng)響應(yīng)研究。兩種方法互相補(bǔ)充、印證,確保了計(jì)算分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠程度。

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