基于ANSYS的连续刚构桥地震响应分析

罗 强

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

连续刚构桥是在T型刚构桥和连续梁桥的基础之上发展起来的一种具有跨越能力大、无大型支座及行车较为舒适的桥梁结构形式。该种桥型由于其自身特点，常用于激流、大河以及深谷地段。但目前由于地震频发，且破坏力强大，造成严重的社会经济损失，尤其是地震对大型桥梁带来的损害，其危害程度具有不可预估性。如何从设计、施工角度有效提高桥梁的质量水平以及抗震能力，同时确保桥梁在使用过程中结构安全性及稳定性，从而保证桥梁受力合理以及外观美观，是大型桥梁建设发展的关键，也是桥梁工作者研究的重点。本研究为了较好地分析连续刚构桥在地震作用条件下，整桥内力及位移等响应变化情况，通过采用ANSYS有限元命令流将不同向地震波输入模型中进行响应分析，以此分析地震条件下连续刚构桥的力学响应，为连续刚构桥施工、设计提供理论依据。

本文以某三跨连续刚构桥为例，首先采用ANSYS有限元软件建立桥梁三维实体计算模型，其次分析该连续刚构桥在横桥向、竖桥向、纵桥向3种震动状态条件下，其主跨跨中、墩梁固结处的位移以及加速度以及内力响应，为连续刚构桥设计及施工过程中质量控制提供一定的理论依据和技术参考。

1 ANSYS有限元建模

1.1 分析基础

ANSYS有限元分析软件目前较大程度应用于土建构造物受力分析及计算上，其分析过程一般包括：实体建模与网格划分、外界荷载作用、结果分析与输出[1]。采用ANSYS有限元分析软件解决工程实际问题的步骤一般如下：

a）采用前处理模块PREP7定义参数与建立有限元三维模型。

b）利用求解模块SOLUTION对所建的有限元模型进行力学分析与有限元分析。

c）通过后处理器模块POST1与POST26观测并分析计算结果。

1.2 模型参数

研究以某三跨连续刚构桥为例，该桥上部结构形式为单箱单室截面，截面呈现抛物线形变化分布，其基本参数如表1所示。

表1 连续刚构桥基本参数

基于表1中的连续刚构桥基本参数，采用ANSYS有限元分析软件进行模型建立，该模型单元节点划分及材料赋值基本参数如表2所示。

表2 ANSYS计算模型单元格划分及材料参数

所建ANSYS有限元连续刚构桥模型如图1所示。

图1 计算分析模型

2 地震条件模拟及分析方法

2.1 时程分析方法

目前对建筑结构物在地震条件下的抗震分析一般有3种方法：时程分析法、功率谱法以及反应谱法[2]。而由于桥梁为体系复杂的非线性结构物，采用动态时程分析方法对其进行地震响应分析较为合理[3]。时程分析法是一种对计算的结构振动方程直接进行积分的动力方法，该方法是随着地震记录的增加及计算机技术的应用而逐步发展起来的。在分析过程中，直接将地震振动记录数据作用在结构物上，一般采用多自由度、多节点的结构有限元建立震动响应。本研究采用时程分析法对连续刚构桥进行抗震分析。分析过程分为以下4部：

a）把振动时程按等间距或不等间距分为一系列的微小时间段Δt。

b）假设在微小时间段内，加速度、速度及位移按照一定的变化规律变化。

c）按照变化规律求解在微小时间段Δt+t时刻时，结构物的振动响应。

d）按照以上步骤对该系列微小时间间隔进行逐步积分，最终完成整个时程分析。

2.2 地震波输入

地震波作为一种外界输入荷载，是直接导致工程结构破坏的根本原因，因此在桥梁施工、设计及分析过程中，应当选用较为真实的地震来研究桥梁的抗震性能以及在地震条件下做出的力学响应。目前对重大结构以及重要的工程结构而言，依据设计规范所给出的地震峰值加速度以及反应谱进行设计是不能够较为真实模拟及分析地震条件下结构物的抗震性能。因此必须采用符合实际的地震波观测数据进行模拟、分析地震波对结构物所产生的响应十分必要。为较为准确分析连续刚构桥在地震条件下的响应，本研究采用较为典型的El Centro地震波[4-5]作为分析地震波，不同向地震波输入如图2、图3、图4。

图2 X方向加速度时程图

图3 Y方向加速度时程图

图4 Z方向加速度时程图

3 响应结果及分析

采用ANSYS有限元命令流将不同向地震波输入所建模型中进行响应分析，研究对连续刚构桥进行地震条件下位移、加速度及内力响应，结果如图5、图6、图7。

图5 地震波沿三向输入的最大位移响应

图6 地震波沿三向输入的最大加速度响应

图5、图6为地震波沿三向输入时，桥梁所产生的最大位移及加速度响应曲线。从图中可得出，地震波对桥梁位移、加速度响应变化规律一致；Y方向地震波输入对桥梁纵向位移、加速度响应大于其余情况响应；地震波三向输入中，桥梁的墩梁固结处产生的位移响应较为明显；地震波Y方向输入在纵桥向产生的加速度响应明显大于X方向输入在横桥向以及Z方向输入在竖桥向产生的加速度响应。因此，在连续刚构桥施工过程中，应采用一定的技术措施，加强墩梁固结处的刚度及强度要求；另外在设计过程中应注意桥梁纵桥向受力设计。

图7 地震波沿三向输入时墩梁固结与跨中内力

图7为地震波沿桥纵向、横向、竖向输入时，桥梁墩梁固结处以及跨中内力情况。从图7中可看出，相同地震波输入条件下，墩梁固结处的内力远大于跨中内力；桥梁固结处、跨中在不同地震波输入条件下，其内力不同，其中地震波Y方向输入对桥梁产生的内力最为明显；综合对比地震波三向输入对桥梁内力产生的影响，X方向所产生的内力响应小于Y方向以及Z方向的内力响应。

4 结语

本研究综合考虑了不同向地震波输入对桥梁墩梁位移、加速度以及内力的影响，结果表明桥梁墩梁固结处内力响应较其他位置内力响应最为明显；且地震波纵向输入对桥梁位移及加速度响应大于横向输入及竖向输入。建议在连续刚构桥设计施工过程中，严格控制墩梁固结处材料选用及施工质量控制，保证桥梁在震动情况下仍处安全状态。