基于ANSYS的連續剛構橋地震響應分析

羅 強

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

連續剛構橋是在T型剛構橋和連續梁橋的基礎之上發展起來的一種具有跨越能力大、無大型支座及行車較為舒適的橋梁結構形式。該種橋型由于其自身特點，常用于激流、大河以及深谷地段。但目前由于地震頻發，且破壞力強大，造成嚴重的社會經濟損失，尤其是地震對大型橋梁帶來的損害，其危害程度具有不可預估性。如何從設計、施工角度有效提高橋梁的質量水平以及抗震能力，同時確保橋梁在使用過程中結構安全性及穩定性，從而保證橋梁受力合理以及外觀美觀，是大型橋梁建設發展的關鍵，也是橋梁工作者研究的重點。本研究為了較好地分析連續剛構橋在地震作用條件下，整橋內力及位移等響應變化情況，通過采用ANSYS有限元命令流將不同向地震波輸入模型中進行響應分析，以此分析地震條件下連續剛構橋的力學響應，為連續剛構橋施工、設計提供理論依據。

本文以某三跨連續剛構橋為例，首先采用ANSYS有限元軟件建立橋梁三維實體計算模型，其次分析該連續剛構橋在橫橋向、豎橋向、縱橋向3種震動狀態條件下，其主跨跨中、墩梁固結處的位移以及加速度以及內力響應，為連續剛構橋設計及施工過程中質量控制提供一定的理論依據和技術參考。

1 ANSYS有限元建模

1.1 分析基礎

ANSYS有限元分析軟件目前較大程度應用于土建構造物受力分析及計算上，其分析過程一般包括：實體建模與網格劃分、外界荷載作用、結果分析與輸出[1]。采用ANSYS有限元分析軟件解決工程實際問題的步驟一般如下：

a）采用前處理模塊PREP7定義參數與建立有限元三維模型。

b）利用求解模塊SOLUTION對所建的有限元模型進行力學分析與有限元分析。

c）通過后處理器模塊POST1與POST26觀測并分析計算結果。

1.2 模型參數

研究以某三跨連續剛構橋為例，該橋上部結構形式為單箱單室截面，截面呈現拋物線形變化分布，其基本參數如表1所示。

表1 連續剛構橋基本參數

基于表1中的連續剛構橋基本參數，采用ANSYS有限元分析軟件進行模型建立，該模型單元節點劃分及材料賦值基本參數如表2所示。

表2 ANSYS計算模型單元格劃分及材料參數

所建ANSYS有限元連續剛構橋模型如圖1所示。

圖1 計算分析模型

2 地震條件模擬及分析方法

2.1 時程分析方法

目前對建筑結構物在地震條件下的抗震分析一般有3種方法：時程分析法、功率譜法以及反應譜法[2]。而由于橋梁為體系復雜的非線性結構物，采用動態時程分析方法對其進行地震響應分析較為合理[3]。時程分析法是一種對計算的結構振動方程直接進行積分的動力方法，該方法是隨著地震記錄的增加及計算機技術的應用而逐步發展起來的。在分析過程中，直接將地震振動記錄數據作用在結構物上，一般采用多自由度、多節點的結構有限元建立震動響應。本研究采用時程分析法對連續剛構橋進行抗震分析。分析過程分為以下4部：

a）把振動時程按等間距或不等間距分為一系列的微小時間段Δt。

b）假設在微小時間段內，加速度、速度及位移按照一定的變化規律變化。

c）按照變化規律求解在微小時間段Δt+t時刻時，結構物的振動響應。

d）按照以上步驟對該系列微小時間間隔進行逐步積分，最終完成整個時程分析。

2.2 地震波輸入

地震波作為一種外界輸入荷載，是直接導致工程結構破壞的根本原因，因此在橋梁施工、設計及分析過程中，應當選用較為真實的地震來研究橋梁的抗震性能以及在地震條件下做出的力學響應。目前對重大結構以及重要的工程結構而言，依據設計規范所給出的地震峰值加速度以及反應譜進行設計是不能夠較為真實模擬及分析地震條件下結構物的抗震性能。因此必須采用符合實際的地震波觀測數據進行模擬、分析地震波對結構物所產生的響應十分必要。為較為準確分析連續剛構橋在地震條件下的響應，本研究采用較為典型的El Centro地震波[4-5]作為分析地震波，不同向地震波輸入如圖2、圖3、圖4。

圖2 X方向加速度時程圖

圖3 Y方向加速度時程圖

圖4 Z方向加速度時程圖

3 響應結果及分析

采用ANSYS有限元命令流將不同向地震波輸入所建模型中進行響應分析，研究對連續剛構橋進行地震條件下位移、加速度及內力響應，結果如圖5、圖6、圖7。

圖5 地震波沿三向輸入的最大位移響應

圖6 地震波沿三向輸入的最大加速度響應

圖5、圖6為地震波沿三向輸入時，橋梁所產生的最大位移及加速度響應曲線。從圖中可得出，地震波對橋梁位移、加速度響應變化規律一致；Y方向地震波輸入對橋梁縱向位移、加速度響應大于其余情況響應；地震波三向輸入中，橋梁的墩梁固結處產生的位移響應較為明顯；地震波Y方向輸入在縱橋向產生的加速度響應明顯大于X方向輸入在橫橋向以及Z方向輸入在豎橋向產生的加速度響應。因此，在連續剛構橋施工過程中，應采用一定的技術措施，加強墩梁固結處的剛度及強度要求；另外在設計過程中應注意橋梁縱橋向受力設計。

圖7 地震波沿三向輸入時墩梁固結與跨中內力

圖7為地震波沿橋縱向、橫向、豎向輸入時，橋梁墩梁固結處以及跨中內力情況。從圖7中可看出，相同地震波輸入條件下，墩梁固結處的內力遠大于跨中內力；橋梁固結處、跨中在不同地震波輸入條件下，其內力不同，其中地震波Y方向輸入對橋梁產生的內力最為明顯；綜合對比地震波三向輸入對橋梁內力產生的影響，X方向所產生的內力響應小于Y方向以及Z方向的內力響應。

4 結語

本研究綜合考慮了不同向地震波輸入對橋梁墩梁位移、加速度以及內力的影響，結果表明橋梁墩梁固結處內力響應較其他位置內力響應最為明顯；且地震波縱向輸入對橋梁位移及加速度響應大于橫向輸入及豎向輸入。建議在連續剛構橋設計施工過程中，嚴格控制墩梁固結處材料選用及施工質量控制，保證橋梁在震動情況下仍處安全狀態。