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        “人”字形曲線高架橋地震動(dòng)多角度輸入研究

        2022-04-16 08:50:16畢研超
        現(xiàn)代城市軌道交通 2022年4期
        關(guān)鍵詞:墩底墩頂高架橋

        畢研超

        (濟(jì)南市交通工程質(zhì)量與安全中心,山東濟(jì)南 250014)

        1 引言

        “人”字形曲線高架橋有直線段、變截面段以及曲線段,是曲線高架橋的典型代表,結(jié)構(gòu)形式和受力復(fù)雜。目前,國(guó)內(nèi)一、二線城市高架橋的建設(shè)與日俱增,三線城市高架橋建設(shè)正在崛起,曲線高架橋的應(yīng)用甚為廣泛。我國(guó)是地震多發(fā)國(guó)家,亟需對(duì)“人”字形曲線高架橋抗震體系展開(kāi)研究,分析“人”字形曲線高架橋在地震發(fā)生時(shí)的最不利地震動(dòng)反應(yīng),對(duì)于抗震設(shè)防和維修加固具有重要意義,同時(shí)也可為發(fā)生地震后抗震救災(zāi)工作打下基礎(chǔ)。

        地震動(dòng)最不利輸入方向確定標(biāo)準(zhǔn)包括2種:結(jié)構(gòu)響應(yīng)達(dá)到峰值;結(jié)構(gòu)局部截面達(dá)到屈服。本文主要采用第一種,地震動(dòng)輸入時(shí)哪個(gè)位置的響應(yīng)達(dá)到峰值即確定該處為不同角度輸入時(shí)的最不利地震動(dòng)位置。

        2 有限元分析模型

        某城市曲線高架橋,直線總跨徑為72 m,橋面由1 片變截面主梁(1#梁)與2片等截面分支梁(2#梁、3#梁)組成,其中1#主梁與2#分支梁為直線梁,3#分支梁為曲線梁,橋梁整體平面呈“人”字形式,如圖1所示。墩高30 m,主梁與橋墩截面如圖2所示。

        圖1 “人”字形曲線高架橋

        圖2 主梁與橋墩截面(單位:cm )

        建立MIDAS有限元分析模型,模型結(jié)構(gòu)縮尺比為 1/20,如圖3所示。其中1#墩、2#墩、5#號(hào)墩墩頂設(shè)置固定支座,其余墩頂設(shè)置活動(dòng)支座,模型不考慮樁土相互作用,橋墩底部固結(jié),不考慮橋臺(tái)與土的相互作用。

        圖3 “人”字形曲線高架橋有限元模型

        3 地震動(dòng)多角度輸入

        模型選用EI centro波,采用一致激勵(lì)輸入進(jìn)行有限元分析,EI centro波峰值加速度為 197.32 gal,如圖4所示。曲線高架橋坐標(biāo)系如圖5所示。

        圖4 EI centro波

        根據(jù)圖5可列以下算式:

        圖5 曲線高架橋坐標(biāo)

        式(1)、式(2)中,x為梁的切線方向;y為梁的徑線方向;X為地震波輸入方向;Y為地震波輸入方向的徑線方向; 為X方向與y方向之間的夾角。

        本文中地震波的輸入方向只需從0°輸入到180°,每隔30°輸入一次。而最不利地震動(dòng)方向?yàn)檩斎氲卣鸩〞r(shí)不同位置x方向和y方向的最大值。

        4 結(jié)果分析

        4.1 墩頂 x 向位移分析

        墩頂x向位移如表1所示。由表可知,在地震動(dòng)沿X向橋梁縱向輸入時(shí),即直線梁X與x一致, 為0°時(shí),0°與180°正向及反向輸入墩頂位移一致,2#墩頂位移在所有橋墩位移中最大,最易發(fā)生落梁現(xiàn)象,而地震動(dòng)輸入方向?yàn)?0°時(shí)位移最小。所有數(shù)據(jù)中,2#墩頂位移在X向地震動(dòng)作用下明顯大于其他墩頂位移,因此,在實(shí)際施工過(guò)程中主要考慮X向地震動(dòng)輸入時(shí)2#墩頂位移即可。

        表1 墩頂x向位移 m

        4.2 墩頂 y 向位移分析

        墩頂y向位移如表2所示。由表可知,在地震動(dòng)沿Y向橋梁橫向輸入時(shí),即直線梁Y與y一致, 為90°時(shí),1#、2#、3#以及4#墩頂位移達(dá)到最大值,地震動(dòng)輸入方向?yàn)?0°時(shí),5#和6#墩頂位移達(dá)到最大值,而1#墩頂在所有墩中位移最大,最易發(fā)生落梁現(xiàn)象。 0°與180°正向及反向輸入時(shí)墩頂位移一致。所有數(shù)據(jù)中,1#墩頂位移在Y向地震動(dòng)作用下明顯大于其他墩頂位移,因此,在實(shí)際施工過(guò)程中主要考慮Y向地震動(dòng)輸入時(shí)1#墩頂位移即可。

        表2 墩頂y向位移 m

        4.3 墩底 x 向彎矩分析

        墩底x向彎矩如表3所示。由表可知,在地震動(dòng)沿X向橋梁縱向輸入時(shí),地震動(dòng)輸入方向?yàn)?°時(shí),1#、2#、3#、4#以及5#橋墩墩底彎矩值達(dá)到最大值,地震動(dòng)輸入方向?yàn)?0°時(shí),6#橋墩墩底彎矩值達(dá)到最大值,而6#橋墩墩底在所有墩柱中彎矩值最大,最易發(fā)生彎曲破壞。 0°與180°正向及反向輸入墩底彎矩值一致。所有數(shù)據(jù)中,6#墩底彎矩值在30°地震動(dòng)作用下明顯大于其他墩底彎矩值,因此,在實(shí)際施工過(guò)程中主要考慮地震動(dòng)輸入方向30°時(shí)6#墩底彎矩即可。

        表3 墩底x向彎矩 kN · m

        4.4 墩底 y 向彎矩分析

        墩底y向彎矩如表4所示。由表可知,在地震動(dòng)沿Y向橋梁橫向輸入時(shí),即地震動(dòng)輸入方向?yàn)?0°時(shí),1#、2#、3#以及4#橋墩墩底彎矩值達(dá)到最大值,地震動(dòng)輸入方向?yàn)?0°時(shí),5#橋墩墩底彎矩達(dá)到最大值,地震動(dòng)輸入方向?yàn)?0°時(shí),6#橋墩墩底彎矩達(dá)到最大值,而1#橋墩墩底在所有橋墩中彎矩值最大,最易發(fā)生彎曲破壞。 0°與180°正向及反向輸入墩底彎矩值一致。所有數(shù)據(jù)中,1#墩底彎矩值在Y向地震動(dòng)作用下明顯大于其他墩底彎矩值,因此,在實(shí)際施工過(guò)程中主要考慮地震動(dòng)輸入方向90°時(shí)1#墩底彎矩即可。

        表4 墩底y向彎矩 kN · m

        4.5 梁跨中 x 向彎矩分析

        梁跨中x向彎矩如表5所示。由表可知,在地震動(dòng)沿Y向橋梁橫向輸入時(shí),即地震動(dòng)輸入方向?yàn)?0°時(shí),第一跨跨中彎矩達(dá)到最大值,地震動(dòng)輸入方向?yàn)?50°時(shí),第二跨跨中彎矩達(dá)到最大值,地震動(dòng)輸入方向?yàn)?0°時(shí),第三跨左跨中和右跨中彎矩分別達(dá)到最大值,而第三跨左跨中彎矩值大于所有梁跨中彎矩值,最易發(fā)生彎曲破壞。 0°與180°正向及反向輸入跨中彎矩值一致。所有數(shù)據(jù)中,第三跨左跨中彎矩值在30°地震動(dòng)作用下明顯大于其他跨跨中彎矩值,因此,在實(shí)際施工過(guò)程中主要考慮地震動(dòng)輸入方向30°時(shí)第三跨左跨中彎矩即可。

        表5 梁跨中x向彎矩 kN · m

        4.6 梁跨中 y 向彎矩分析

        梁跨中y向彎矩如表6所示。由表可知,在地震動(dòng)沿Y向橋梁橫向輸入時(shí),即地震動(dòng)輸入方向?yàn)?0°時(shí),第一跨跨中彎矩值達(dá)到最大值,地震動(dòng)輸入方向?yàn)?20°時(shí),第二跨跨中彎矩值達(dá)到最大值,地震動(dòng)輸入方向30°時(shí),第三跨左跨中和右跨中彎矩值分別達(dá)到最大值,而第二跨跨中彎矩值在地震動(dòng)輸入方向120°時(shí)大于所有梁跨中彎矩值,最易發(fā)生彎曲破壞。 0°與180°正向及反向輸入跨中彎矩值一致。第二跨跨中彎矩值在120°地震動(dòng)作用下明顯大于其他跨跨中彎矩值,因此,在實(shí)際施工過(guò)程中主要考慮地震動(dòng)輸入方向120°時(shí)第二跨跨中彎矩即可。

        表6 梁跨中y向彎矩 kN · m

        5 結(jié)論

        本文以“人”字形曲線高架橋?yàn)檠芯繉?duì)象,研究在不同方向地震動(dòng)輸入下結(jié)構(gòu)的相應(yīng)特點(diǎn),主要得出以下結(jié)論。

        (1)曲線橋梁的直線段墩頂位移最大值明確沿著縱向或橫向發(fā)生,結(jié)構(gòu)響應(yīng)與地震動(dòng)輸入方向有關(guān)聯(lián);對(duì)于某些地震動(dòng)輸入角度,曲線段墩頂位移最大值較直線段墩頂位移最大值小,表明地震發(fā)生時(shí),曲線橋梁的直線段可能更易發(fā)生落梁現(xiàn)象。

        (2)地震動(dòng)輸入方向?yàn)?0°與180°時(shí),位移與彎矩的響應(yīng)結(jié)果一致。

        (3)對(duì)于不同方向地震動(dòng)輸入,墩底或跨中彎矩最大值響應(yīng)規(guī)律不一。因此對(duì)于曲線高架橋,需進(jìn)行多角度地震動(dòng)輸入的抗震性研究,才能更全面的反映結(jié)構(gòu)整體抗震性能。

        (4)本文研究?jī)H是在每間隔30°角度作用下進(jìn)行最不利地震動(dòng)研究,對(duì)于更復(fù)雜的橋梁抗震設(shè)計(jì)時(shí)需要具體分析,以便更全面的研究和體現(xiàn)橋梁抗震性能。

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