连续刚构桥地震响应分析
2013-10-16杨有伟
杨有伟
(新疆维吾尔自治区伊犁公路管理局)
近年来连续刚构桥凭借其施工方便，跨越能力大等优点得到了广泛的应用，在我国广袤的西部地区也修建有大量的连续刚构桥梁。我国西部地区属于地震多发地带，地震无疑会对桥梁结构产生破坏，而桥梁又是交通线路的关键节点，其关系到地震发生后抗震救灾工作能否顺利展开，因此分析研究桥梁在地震荷载作用下的结构安全性、保证桥梁结构在地震荷载作用下的安全是非常有必要的。现以位于我国西部地区的一座连续刚构桥为依托，采用反应谱法分析了该桥梁在地震作用下的响应，其结果具有一定的参考价值。
1 工程概况
大桥为三跨预应力钢筋混凝土连续刚构桥，位于我国西部地区，其跨径布置为45 m+80 m+45 m。其主梁为单箱单室箱梁，采用变截面形式，梁高按二次抛物线变化，其中在主梁跨中处箱梁高度为1.9 m，在主梁根部位置箱梁高度为4.3 m，主梁只在边跨端部位置和墩顶0#块位置设置横隔板，其横隔板厚度分别为0.8 m、0.5 m，主梁的预应力体系为双向预应力。大桥的桥墩采用空心薄壁墩，薄壁墩厚度为0.5 m，左右侧墩高分别为31 m、43 m。大桥采用钻孔灌注桩基础。
2 有限元分析计算模型
为了准确的分析该大桥在地震作用下的结构的变形和内力，掌握大桥在地震作用下的其结构各部件的安全性，选用通用有限元软件ANSYS建立了该大桥的结构有限元分析模型，本文建立了大桥的实体有限元模型，全桥模型共计30 011个节点，200 003个单元，由于本桥为预应力混凝土结构，该有限模型采用分离模型，其中混凝土单元采用solid65单元模拟，而预应力束则采用LINK10单元，其预应力值通过LINK10单元中的初始应变输入来实现。大桥的有限元分析模型如图1所示。
图1 有限元分析计算模型
3 大桥地震反应谱分析
3.1 地震动输入
根据该桥所处位置地震安全性报告以及《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001)可以知道该桥址位置的地震基本设防烈度为7度，场地类型为II类场地。
3.2 荷载工况
根据本桥的设计材料以及桥位所处的地理位置可以知道，该桥梁所处的地区的设防烈度为7度。对该大桥进行反应谱法分析其地震响应时，本文选择了下面的计算工况:1.0×纵向+1.0×横向。
就大跨径预应力连续刚构桥而言，其主梁与中跨的跨中位置、1/8跨位置、1/4跨位置、3/8跨位置，桥墩的根部、中部以及墩梁结合位置均为连续刚构桥梁受力的关键位置，需要在结构抗震分析中对这些截面位置的内力和位移特别的关注与分析。本文为了方便结果的输出，对上述位置做了编号，具体如图2所示。
图2 截面示意图
3.3 连续刚构桥地震反应谱计算结果
根据上文所述的地震动输入和荷载工况，对大桥进行反应谱法分析其地震响应，得到了大桥的地震响应结果。在表1中，给出了由反应谱法得到的大桥各控制截面在地震荷载作用下的位移响应。由表1可以知道，大桥各控制截面的位移响应沿三个方向有所不同，其中纵向位移响应最大，横桥向位移响应次之，相比而言竖向位移响应最小，大桥的主梁最大的位移响应值为1.833 cm，而桥墩的最大位移响应值为1.681 cm。同时将由反应谱法得到的大桥各个控制截面位置的内力响应汇于表2中，由表2可以知道，在地震荷载作用下该桥梁上部结构和桥墩均发生了较大的内力响应，其中对于主梁而言，其最大的内力响应(弯矩、轴力、横向剪力)均发生在主梁根部，其最大弯矩响应值为3 156.22 kN·m，最大的轴力响应值为1 548.12 kN，最大横向剪力值为9 429.88 kN，同时，其桥墩的最大弯矩响应值为3 156.15 kN·m，最大的轴力响应值为2 204.04 kN，最大横向剪力值为9 430.71 kN。
表1 地震作用下桥梁位移响应 cm
表2 地震作用下桥梁位内力响应
续表2
4 结论
通过对大桥进行反应谱法分析其地震响应，根据计算分析结果我们可以得到下面几点结论。
(1)在纵向和横向地震作用下，大桥各关键截面位置均发生了较大的位移，但其位移响应沿三个方向又有所不同，通过比较可以指导其纵向位移响应最大，横桥向位移响应次之，相比而言竖向位移响应最小，大桥的主梁最大的位移响应值为1.833 cm，而桥墩的最大位移响应值为1.681 cm。
(2)在纵向和横向地震作用下，桥梁(上部结构和桥墩)的内力响应较大，主梁的最大内力响应(弯矩、轴力、横向剪力)均发生在主梁根部，其分别为最大弯矩响应为3156.22 kN·m，最大的轴力响应为1 548.12 kN，最大横向剪力值9 429.88 kN，同时，其桥墩的最大弯矩响应值为3 156.15 kN·m，最大的轴力响应值为2 204.04 kN，最大横向剪力值为9 430.71 kN。因此，对于连续刚构桥而言，其主梁中跨根部截面位置和桥墩需要的抗震设计中需要引起设计人员的重视。
