連續(xù)剛構(gòu)橋地震響應(yīng)分析

楊有偉

(新疆維吾爾自治區(qū)伊犁公路管理局)

近年來(lái)連續(xù)剛構(gòu)橋憑借其施工方便，跨越能力大等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用，在我國(guó)廣袤的西部地區(qū)也修建有大量的連續(xù)剛構(gòu)橋梁。我國(guó)西部地區(qū)屬于地震多發(fā)地帶，地震無(wú)疑會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，而橋梁又是交通線路的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其關(guān)系到地震發(fā)生后抗震救災(zāi)工作能否順利展開(kāi)，因此分析研究橋梁在地震荷載作用下的結(jié)構(gòu)安全性、保證橋梁結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的安全是非常有必要的。現(xiàn)以位于我國(guó)西部地區(qū)的一座連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)橐劳校捎梅磻?yīng)譜法分析了該橋梁在地震作用下的響應(yīng)，其結(jié)果具有一定的參考價(jià)值。

1 工程概況

大橋?yàn)槿珙A(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，位于我國(guó)西部地區(qū)，其跨徑布置為45 m+80 m+45 m。其主梁為單箱單室箱梁，采用變截面形式，梁高按二次拋物線變化，其中在主梁跨中處箱梁高度為1.9 m，在主梁根部位置箱梁高度為4.3 m，主梁只在邊跨端部位置和墩頂0#塊位置設(shè)置橫隔板，其橫隔板厚度分別為0.8 m、0.5 m，主梁的預(yù)應(yīng)力體系為雙向預(yù)應(yīng)力。大橋的橋墩采用空心薄壁墩，薄壁墩厚度為0.5 m，左右側(cè)墩高分別為31 m、43 m。大橋采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

2 有限元分析計(jì)算模型

為了準(zhǔn)確的分析該大橋在地震作用下的結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力，掌握大橋在地震作用下的其結(jié)構(gòu)各部件的安全性，選用通用有限元軟件ANSYS建立了該大橋的結(jié)構(gòu)有限元分析模型，本文建立了大橋的實(shí)體有限元模型，全橋模型共計(jì)30 011個(gè)節(jié)點(diǎn)，200 003個(gè)單元，由于本橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，該有限模型采用分離模型，其中混凝土單元采用solid65單元模擬，而預(yù)應(yīng)力束則采用LINK10單元，其預(yù)應(yīng)力值通過(guò)LINK10單元中的初始應(yīng)變輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)。大橋的有限元分析模型如圖1所示。

圖1 有限元分析計(jì)算模型

3 大橋地震反應(yīng)譜分析

3.1 地震動(dòng)輸入

根據(jù)該橋所處位置地震安全性報(bào)告以及《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2001)可以知道該橋址位置的地震基本設(shè)防烈度為7度，場(chǎng)地類(lèi)型為II類(lèi)場(chǎng)地。

3.2 荷載工況

根據(jù)本橋的設(shè)計(jì)材料以及橋位所處的地理位置可以知道，該橋梁所處的地區(qū)的設(shè)防烈度為7度。對(duì)該大橋進(jìn)行反應(yīng)譜法分析其地震響應(yīng)時(shí)，本文選擇了下面的計(jì)算工況:1.0×縱向+1.0×橫向。

就大跨徑預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋而言，其主梁與中跨的跨中位置、1/8跨位置、1/4跨位置、3/8跨位置，橋墩的根部、中部以及墩梁結(jié)合位置均為連續(xù)剛構(gòu)橋梁受力的關(guān)鍵位置，需要在結(jié)構(gòu)抗震分析中對(duì)這些截面位置的內(nèi)力和位移特別的關(guān)注與分析。本文為了方便結(jié)果的輸出，對(duì)上述位置做了編號(hào)，具體如圖2所示。

圖2 截面示意圖

3.3 連續(xù)剛構(gòu)橋地震反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上文所述的地震動(dòng)輸入和荷載工況，對(duì)大橋進(jìn)行反應(yīng)譜法分析其地震響應(yīng)，得到了大橋的地震響應(yīng)結(jié)果。在表1中，給出了由反應(yīng)譜法得到的大橋各控制截面在地震荷載作用下的位移響應(yīng)。由表1可以知道，大橋各控制截面的位移響應(yīng)沿三個(gè)方向有所不同，其中縱向位移響應(yīng)最大，橫橋向位移響應(yīng)次之，相比而言豎向位移響應(yīng)最小，大橋的主梁最大的位移響應(yīng)值為1.833 cm，而橋墩的最大位移響應(yīng)值為1.681 cm。同時(shí)將由反應(yīng)譜法得到的大橋各個(gè)控制截面位置的內(nèi)力響應(yīng)匯于表2中，由表2可以知道，在地震荷載作用下該橋梁上部結(jié)構(gòu)和橋墩均發(fā)生了較大的內(nèi)力響應(yīng)，其中對(duì)于主梁而言，其最大的內(nèi)力響應(yīng)(彎矩、軸力、橫向剪力)均發(fā)生在主梁根部，其最大彎矩響應(yīng)值為3 156.22 kN·m，最大的軸力響應(yīng)值為1 548.12 kN，最大橫向剪力值為9 429.88 kN，同時(shí)，其橋墩的最大彎矩響應(yīng)值為3 156.15 kN·m，最大的軸力響應(yīng)值為2 204.04 kN，最大橫向剪力值為9 430.71 kN。

表1 地震作用下橋梁位移響應(yīng) cm

表2 地震作用下橋梁位內(nèi)力響應(yīng)

續(xù)表2

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)大橋進(jìn)行反應(yīng)譜法分析其地震響應(yīng)，根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果我們可以得到下面幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)在縱向和橫向地震作用下，大橋各關(guān)鍵截面位置均發(fā)生了較大的位移，但其位移響應(yīng)沿三個(gè)方向又有所不同，通過(guò)比較可以指導(dǎo)其縱向位移響應(yīng)最大，橫橋向位移響應(yīng)次之，相比而言豎向位移響應(yīng)最小，大橋的主梁最大的位移響應(yīng)值為1.833 cm，而橋墩的最大位移響應(yīng)值為1.681 cm。

(2)在縱向和橫向地震作用下，橋梁(上部結(jié)構(gòu)和橋墩)的內(nèi)力響應(yīng)較大，主梁的最大內(nèi)力響應(yīng)(彎矩、軸力、橫向剪力)均發(fā)生在主梁根部，其分別為最大彎矩響應(yīng)為3156.22 kN·m，最大的軸力響應(yīng)為1 548.12 kN，最大橫向剪力值9 429.88 kN，同時(shí)，其橋墩的最大彎矩響應(yīng)值為3 156.15 kN·m，最大的軸力響應(yīng)值為2 204.04 kN，最大橫向剪力值為9 430.71 kN。因此，對(duì)于連續(xù)剛構(gòu)橋而言，其主梁中跨根部截面位置和橋墩需要的抗震設(shè)計(jì)中需要引起設(shè)計(jì)人員的重視。