基于不同规范的钢结构连续梁桥反应谱法分析

胡锐光, 何 敏, 陈 成

(合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)



基于不同规范的钢结构连续梁桥反应谱法分析

胡锐光, 何 敏, 陈 成

(合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)

我国现行桥梁抗震规范《公路桥梁抗震设计细则》、《城市桥梁抗震设计规范》中反应谱计算有较大的差异性,故有必要按上述2种规范反应谱法来计算分析桥梁抗震特性的差异性,以提高实际应用的可靠性。文章运用Midas/civil有限元软件建立某钢结构连续梁桥模型,取地震基本烈度为7度、地震动峰值加速度为0.15g地区为例,计算分析了该钢结构连续梁桥在不同规范反应谱法下的抗震受力特性。分析结果表明2种规范下的地震响应存在差异,但该差异与设计加速度反应谱函数的变化相一致。

反应谱法;连续梁桥;规范;动力分析

0 引 言

我国现行抗震规范主要有交通运输部颁布的《公路桥梁抗震设计细则:JTG/T B02-01—2008》(以下简称“08细则”)[1]以及住房和城乡建设部颁布的《城市桥梁抗震设计规范:CJJ 166—2011》(以下简称“11规范”)[2],2种规范均采用两水准设防、两阶段设计的抗震设计方法[3],由于规范的主管部门不同,采用了不同的地震动参数。文献[3]按以上2种规范针对一座规则连续梁桥进行了全面的地震反应分析和地震验算,文献[4]也对不同桥梁设计规范进行了抗震计算比较,都指出结构地震反应差异与规范反应谱的差异相关。文献[5]研究了2种规范中反应谱对桥梁减隔震设计的影响,指出2种规范反应谱的差异使计算所得的结构地震反应存在较大悬殊。文献[6]依据《08细则》对双薄壁墩连续刚构桥进行了地震反应谱研究。本文在以上研究基础上,进一步针对《08细则》与《11规范》中反应谱的差异,运用反应谱法分析结构关键部位的地震响应。

1 各规范反应谱

《08细则》于2008年10月1日起开始实施,《11规范》于2012年3月1日起开始实施。《11规范》水平设计加速度反应谱参考文献[7],地震影响系数的周期为6 s;其与《08细则》反应谱最大的不同有以下4点[8]:

(1) 反应谱响应周期不同。《08细则》地震影响系数的周期为10 s;《11规范》地震影响系数的周期为6 s。

(2) 反应谱最大值Smax计算式不同。《11规范》取消了场地系数,不同场地土类型不再直接影响反应谱最大值Smax。

(3) 设计反应谱下降段不同。《08细则》设计反应谱下降段为一阶段曲线下降;《11规范》认为曲线下降段分2个阶段:第1阶段为速度控制段,第2阶段为位移控制段,衰减指数均为1,具体表现为T≤5Tg时,曲线下降,T> 5Tg时,直线下降。

(4) 阻尼比影响不同。《08细则》阻尼比只影响反应谱值的大小,《11规范》阻尼比不仅影响反应谱值的大小,还影响反应谱函数下降段的形状。

2 桥梁分析模型

本文采用Midas/civil有限元软件对一种较为普遍的桥梁形式——上部结构为钢结构的连续梁桥进行建模[9]分析。

该桥全长140 m,跨径45 m+50 m+45 m,桥宽11.4 m。主梁为钢箱梁,主梁之间采用间距为5 m的工字型横向连系梁,桥墩为直径1.5 m混凝土圆形墩,墩高7 m,盖梁尺寸1.5 m×1.5 m×11.7 m,桥墩和盖梁均采用C30混凝土。

全桥质量1 594.57 t；钢材弹性模量20.6 GPa,质量密度7.85×103kg/m3；混凝土弹性模量30.3 GPa,质量密度2.55×103kg/m3。

全桥采用空间杆系单元模拟,共有107个单元,92个节点,支座采用弹性连接模拟,在固定支座处约束X、Y、Z 3个方向的位移,单向活动支座只约束Y、Z方向的位移,双向活动支座只约束Z方向的位移。在建立模型时,为了简化模型和计算方便,不考虑桩基与土的作用,建模时将墩底固结[10]。该连续梁桥全桥有限元分析模型如图1所示。

图1 连续梁桥有限元模型

3 动力特性分析

对该钢结构连续梁桥进行分析，以地震基本烈度为7度,地震动峰值加速度为0.15g地区为例。一般按照弹性反应谱进行结构地震作用的估计,输入到结构的地震能量与结构特性有关,弹性及弹塑性下的能量反应不尽相同。能量在结构竖向的分布受结构竖向特性影响,在罕遇地震下,结构滞回耗能分布并不是呈现简单的线性特征[11]。

按这2种规范,一般情况下可只考虑水平向地震作用，即顺桥向和横桥向地震作用;抗震设防烈度为8度和9度的拱式结构、长悬臂桥梁结构和大跨度结构,以及竖向作用引起的地震效应很重要时,应同时考虑顺桥向、横桥向和竖向地震作用。故本例在计算相关动力特性时,只考虑纵桥向地震加速度和横桥向地震加速度作用,不考虑竖向地震加速度作用。

3.1 桥梁自振特性计算

对该桥模型采用分块多重Ritz向量法,计算了该连续梁桥结构动力特性,得出前10阶自振频率、周期和相应振型特征[12-13]及结构的部分振型图,见表1所列,如图2所示。

表1 自振频率及振型特征

图2 部分结构振型

3.2 动力特性对比分析

《08细则》和《11规范》中的反应谱曲线趋势基本一致,但在反应谱值上存在较大差异,按各规范计算桥梁在地震作用下各控制截面的地震响应时也就存在一定的偏差。

本文对上述3跨钢构连续梁桥在E1地震作用下各类场地的动力反应进行分析,反应谱值按抗震规范中根据场地类别和地震动参数区划的特征周期分区第1区计算,相应反应谱值如图3所示。

该桥在纵桥向及横桥向地震加速度作用下桥墩墩底弯矩峰值和墩顶位移峰值计算结果见表2、表3所列。

图3 各类场地水平设计加速度反应谱值

由图3可以发现,《08细则》与《11规范》在各类场地下反应谱差异性还是比较明显的,总体上《11规范》反应谱值比《08细则》大。《08细则》在各类场地土下反应谱曲线水平段呈现阶梯状,Ⅰ类场地水平段反应谱值最小,Ⅳ类场地土反应谱值最大;而《11规范》在各类场地土下水平段反应谱值相同,无变化。《11规范》对于地震作用力取值较大,《08细则》对于Ⅳ类场地地震力取值较大,Ⅰ类场地地震作用力取值较小。

《11规范》与《08细则》相比,不同场地类别下的反应谱值变化率呈现以下特点:

(1) 在Ⅰ类场地条件下反应谱值变化率最大,在[0,Tg)区间,变化率在60%以内;在[Tg,5Tg)区间,变化率在60%～86%;在[5Tg,+∞)区间,变化率幅值很大,可达400%以上。

(2) Ⅱ类场地条件下,在[0,Tg)区间,变化率在42%以内;在[Tg,5Tg)区间,变化率约在42%～65%;在[5Tg,+∞)区间,变化率幅值较大,可达250%以上。

(3) Ⅲ类场地条件下,在[0,Tg)区间,变化率在20%以内;在[Tg,5Tg)区间,变化率约在20%～40%;在[5Tg,+∞)区间,变化率幅值可达150%左右。

(4) Ⅳ类场地条件下,在[0,Tg)区间,变化率在10%以内;在[Tg,5Tg)区间,变化率约在10%～28%;在[5Tg,+∞)区间,变化率幅值较小,在80%左右。

从表2、表3可得出,不管在纵桥向还是横桥向地震作用下,《11规范》相对于《08细则》在各类场地条件下其墩底弯矩峰值和墩顶位移峰值的变化率基本一致,在Ⅰ类场地条件下变化率约75%,Ⅱ类场地条件下在52%左右,Ⅲ类场地条件下在23%左右,Ⅳ类场地条件下在10%左右,与《11规范》相对于《08细则》反应谱值变化率基本一致。

表2 各类场地土地震作用下桥墩墩底弯矩峰值

kN·m

表3 各类场地土地震作用下桥墩墩顶位移峰值 mm

横桥向地震作用与纵桥向地震作用相比,其对桥梁结构引起的地震响应较小,主要是纵桥向地震动对桥梁结构的影响,在各类场地土纵桥向地震作用下,固定墩的墩底弯矩峰值和墩顶位移峰值比活动墩的地震响应值明显要大;在横桥向地震作用下,其相应控制截面响应峰值相差不是很大。

4 结 论

《08细则》与《11规范》反应谱差异性还是比较明显的;《08细则》在各类场地土下反应谱曲线水平段呈现阶梯状,《11规范》在各类场地土下水平段反应谱值相同,无变化,这主要是由于反应谱最大值Smax计算的不同。

在地震力作用下,按《11规范》和《08细则》反应谱法计算各类场地土下地震响应幅值变化较大,但总体上与各规范设计加速度反应谱函数的变化相一致。同时,不管是在纵桥向还是横桥向地震作用下,按《11规范》计算的固定墩和活动墩的墩底弯矩峰值和墩顶位移峰值都比《08细则》要大,可以看出《11规范》对桥梁抗震要求整体高于《08细则》。

[1] 重庆交通科研设计院.公路桥梁抗震设计细则：JTG/T B02-01—2008[S].北京:人民交通出版社,2008:1-60.

[2] 同济大学.城市桥梁抗震设计规范：CJJ 166—2011[S].北京:中国建筑工业出版社,2011:1-70.

[3] 倪晓博,李闯,叶爱君.城市与公路桥梁抗震设计规范的实例比较[J].公路,2013(5):1-4.

[4] 虞险峰.公路与城市桥梁设计规范的抗震计算比较[J].市政技术,2014，32(5):54-57.

[5] 李闯,倪晓博,叶爱君.不同规范反应谱对桥梁减隔震设计的影响[J].结构工程师,2013,29(5):91-95.

[6] 赵志国,徐柄楠.双薄壁墩连续刚构桥地震反应谱研究[J].北方交通,2015(1):13-16.

[7] 中国建筑科学研究院.建筑抗震设计规范：GB 50011—2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2010:31-42.

[8] 赵兴中,马琳.三本桥梁抗震规范的反应谱计算方法的比较分析[J].北方交通,2013(7):42-46.

[9] 白居.基于Midas/civil的铅芯橡胶支座隔震桥梁参数分析[J].长江大学学报(自然科学版),2012,9(12):129-132.

[10] 辛立江,牛忠荣.连续钢构桥动力特性及地震响应分析[J].工程与建设,2011,25(1):7-9.

[11] 常磊,叶献国,潘文军.基于能量反应谱的结构能量反应竖向分布研究[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2011,34(2):264-267,291.

[12] 汪秀根.高墩大跨连续刚构桥结构自振特性分析[J].林业建设,2009(2):76-80.

[13] 张利宁.地震作用下连续梁桥动力反应研究[D].太原:太原理工大学,2010.

(责任编辑 张淑艳)

Response spectrum analysis of steel structure continuous beam bridge based on different codes for seismic design of bridge

HU Ruiguang, HE Min， CHEN Cheng

(School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In view of the difference in the calculation of response spectrum method based on present Code for Seismic Design of Urban Bridges and Guidelines for Seismic Design of Highway Bridges in China, it is necessary to compute the difference of anti-seismic properties of bridges based on the two norms so as to improve the stability in practice. In this paper, the model of a steel structure continuous beam bridge is established by using Midas/civil finite element software. Taking the district with the earthquake intensity of 7 magnitude and the ground motion peak acceleration of 0.15gas an example, the difference of the anti-seismic properties of the steel structure continuous beam bridge based on the two response spectrum methods is analyzed. The results indicate that there is difference in seismic response but the design acceleration response spectrum trends conform well based on the two norms.

response spectrum method; continuous beam bridge; norm; dynamic analysis

2015-04-10；

2015-08-18

国家自然科学基金资助项目(51308174)

胡锐光(1989-),男,安徽岳西人,合肥工业大学硕士生;

何 敏(1976-),女,安徽庐江人,博士,合肥工业大学副教授,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.09.016

U448.215

A

1003-5060(2016)09-1231-04