山区高墩大跨连续刚构桥地震时程响应分析

2016-04-28郑江伟

四川建筑 2016年1期

关键词：墩顶高墩刚构桥

郑江伟

(中国中铁五局集团贵州投资建设指挥部，贵州贵阳 550002)

山区高墩大跨连续刚构桥地震时程响应分析

郑江伟

(中国中铁五局集团贵州投资建设指挥部，贵州贵阳 550002)

【摘要】为了分析研究高墩连续刚构桥地震时程响应规律，以西北地区某一跨径为(48+96+48) m的组合连续刚构桥为例，该桥三维有限元模型是借助软件ANSYS进行建立，研究了其自振结构动力特性，根据桥址的实际地质情况，选用适用的Elcentro地震波作为输入地震波;根据时程分析理论，分析了此地震波作用下全桥的地震响应，具体分析了刚构桥桥墩内力及主梁跨中位移的时程响应。研究结果表明：地震波纵向输入时，墩梁连接处及主梁跨中主要表现为纵向位移和竖向位移；横向输入时，主要表现为横向位移；竖向输入时，主要表现为竖向位移。1#、2#墩底和墩顶的内力响应不同地震波下有所不同，其响应的最大值分别出现在不同的时间点。

【关键词】刚构桥;时程分析;地震响应

随着西部经济发展的不断推进，大量高墩结构在沿线修建，它是山区跨深沟峡谷、地形落差较大的重要桥梁形式之一。并且我国西北地区地震次数多且烈度高，桥梁作为生命线工程之一，在地震中也是一薄弱环节。地震力作用于桥梁结构上，较短的时间内使桥梁结构内力突然增大或变形陡增，从而使桥梁承载力不能满足要求或变形过大而丧失稳定性，致使结构倒塌和破坏。因此，对桥梁结构的抗震分析研究具有现实而紧迫的意义。高墩连续刚构桥[1]墩身高且柔，结构受力合理，抗震性能好，抗推刚度在纵桥向较小，跨越能力较大，其对混凝土收缩、徐变、温度变化对结构水平位移有较好的适应能力，能充分发挥高强材料的效能。时程分析方法[2-4]作为一种动态的分析方法，真实地反映了结构的响应。同时时程分析方法也有很大的缺陷，它是以地震加速度为依据，对地震波的选择依赖性太大，且考虑精度要求，对计算机硬件要求也较高。文献[5-8]研究了刚构桥梁的地震响应，得到了一些有用的结论。基于桥梁结构在基础设施中的重要地位，对桥梁进行地震响应的分析和研究是必要的，同时也为桥梁结构的抗震设计提供参考。

1时程分析方法的理论

时程分析方法实质是对结构振动方程进行直接积分的动力方法，是从系统的运动方程出发建立求解响应的递推公式。多自由度体系在地面运动作用下的运动方程为：

(1)

2地震波的选取与工程概况

2.1地震波的选取

本文拟采用地震波为Elcentro波，选取实际强震地震前30 s时程曲线进行分析，包括了地震记录的最强部分，符合地震波的选取原则。EL地震波三个方向的加速度时程见图1。

图1　地震波三方向加速度时程曲线

2.2工程概况

本文以西北地区某高墩连续刚构桥为实例，跨径组合48 m+96 m+48 m，总长192 m，主梁截面为等截面单箱双室箱梁。箱梁高为3.0 m，箱梁顶板宽24.0 m，底板宽16.0 m，两翼悬臂长4.0 m，箱形截面的顶板和底板厚度为0.3 m，腹板厚度为0.6 m。1#墩高50.0 m，2#墩高70.0 m。桥墩采用空心薄壁结构，墩身断面尺寸横桥向12.0 m，顺桥向9.0 m，横桥向壁厚1.6 m，顺桥向壁厚2.0 m，混凝土强度等级为C50。该桥的三维有限元模型见图2。模型中，等截面主梁和变截面空心桥墩分别采用梁单元beam44和梁单元beam188来进行模拟。总体坐标系下，X方向为纵桥方向，Y方向为横桥方向，Z方向为竖桥方向。两桥墩墩底所有自由度被约束即固结，边跨两端约束了竖向位移和扭转两自由度，主梁节点与桥墩用节点耦合来模拟支座。

图2　三维有限元模型

3模态分析及地震反应时程分析

3.1模态分析

该高墩连续刚构桥的模态采用分块Lanczos方法进行分析，为了满足计算精度要求，采用前100阶模态参与计算，表1列出了前6阶的自振频率和相应的振型特征。

表1　自振频率和相应的振型特征

3.2地震反应时程分析

地震反应时程分析结果见表2、表3，响应曲线见图3～图11。

由表2可知，地震波在纵桥方向输入时，主梁位移响应以纵桥方向及竖向位多为主，横桥向位移响应很小，可以忽略不计；由表3可知，两墩纵向剪力相差不大，而矮墩的轴力和横向弯矩较高墩大；由图3～图5可知，主梁跨中纵向位移、竖向位移和1#墩顶横向弯矩最大响应出现在地震波输入后2.4 s左右。

表2　刚构桥主梁主要节点最大位移响应

表3　刚构桥墩顶和墩底内力最大响应

图3　主梁跨中纵向位移时程响应曲线

图4　主梁跨中竖向位移时程响应曲线

图5　1#墩顶横向弯矩时程响应曲线

图6　主梁跨中横向位移时程响应曲线

图7　1#墩顶横向剪力时程响应曲线

图8　1#墩顶纵向弯矩时程响应曲线

图9　主梁跨中竖向位移时程响应曲线

图10　1#墩顶纵向剪力时程响应曲线

由表2可知，地震波在横桥方向输入时，主梁位移响应以横桥方向为主，纵桥方向和竖向位移响应很小，可以忽略不计；由表3可知，除2#墩墩顶扭矩较1#墩更大外，其余内力均较1#墩更小；由图6～图8可知，主梁跨中横向位移、1#墩顶横向剪力和纵向弯矩最大响应出现在地震波输入后12.3 s左右。

由表2可知，地震波在竖向输入时，主梁位移响应以竖向为主，纵桥方向和横桥方向位移响应很小，可以忽略不计；由表3可知，除1#墩扭矩和墩顶纵向弯矩较2#墩更大外，其余内力均较2#墩更小；由图9～图11可知，主梁跨中位移最大响应出现在地震波输入后4.5 s和11.5 s左右，1#墩顶纵向剪力最大响应出现在地震波输入后1.1 s左右，1#墩顶横向弯矩最大响应出现在地震波输入后3.8 s左右。

4结论

(1)地震影响下，高墩连续刚构桥对不同方向地震波输入时响应有所不同，因此，对结构自振特性和地震波频率成份的分布情况进行详细分析是研究的基础。

(2)主梁跨中及墩梁连接处(支座)位移和内力响应较大，支座是高墩连续桥梁的薄弱环节，在进行抗震设计和震后桥梁的检查中，支座应列为重点对象来对待。