山區高墩大跨連續剛構橋地震時程響應分析

鄭江偉

(中國中鐵五局集團貴州投資建設指揮部， 貴州貴陽 550002)

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山區高墩大跨連續剛構橋地震時程響應分析

鄭江偉

(中國中鐵五局集團貴州投資建設指揮部， 貴州貴陽 550002)

【摘要】為了分析研究高墩連續剛構橋地震時程響應規律，以西北地區某一跨徑為(48+96+48) m的組合連續剛構橋為例，該橋三維有限元模型是借助軟件ANSYS進行建立，研究了其自振結構動力特性，根據橋址的實際地質情況，選用適用的Elcentro地震波作為輸入地震波;根據時程分析理論，分析了此地震波作用下全橋的地震響應，具體分析了剛構橋橋墩內力及主梁跨中位移的時程響應。研究結果表明：地震波縱向輸入時，墩梁連接處及主梁跨中主要表現為縱向位移和豎向位移；橫向輸入時，主要表現為橫向位移；豎向輸入時，主要表現為豎向位移。1#、2#墩底和墩頂的內力響應不同地震波下有所不同，其響應的最大值分別出現在不同的時間點。

【關鍵詞】剛構橋;時程分析;地震響應

隨著西部經濟發展的不斷推進，大量高墩結構在沿線修建，它是山區跨深溝峽谷、地形落差較大的重要橋梁形式之一。并且我國西北地區地震次數多且烈度高，橋梁作為生命線工程之一，在地震中也是一薄弱環節。地震力作用于橋梁結構上，較短的時間內使橋梁結構內力突然增大或變形陡增，從而使橋梁承載力不能滿足要求或變形過大而喪失穩定性，致使結構倒塌和破壞。因此，對橋梁結構的抗震分析研究具有現實而緊迫的意義。高墩連續剛構橋[1]墩身高且柔，結構受力合理，抗震性能好，抗推剛度在縱橋向較小，跨越能力較大，其對混凝土收縮、徐變、溫度變化對結構水平位移有較好的適應能力，能充分發揮高強材料的效能。時程分析方法[2-4]作為一種動態的分析方法，真實地反映了結構的響應。同時時程分析方法也有很大的缺陷，它是以地震加速度為依據，對地震波的選擇依賴性太大，且考慮精度要求，對計算機硬件要求也較高。文獻[5-8]研究了剛構橋梁的地震響應，得到了一些有用的結論。基于橋梁結構在基礎設施中的重要地位，對橋梁進行地震響應的分析和研究是必要的，同時也為橋梁結構的抗震設計提供參考。

1時程分析方法的理論

時程分析方法實質是對結構振動方程進行直接積分的動力方法，是從系統的運動方程出發建立求解響應的遞推公式。多自由度體系在地面運動作用下的運動方程為：

(1)

2地震波的選取與工程概況

2.1地震波的選取

本文擬采用地震波為Elcentro波，選取實際強震地震前30 s時程曲線進行分析，包括了地震記錄的最強部分，符合地震波的選取原則。EL地震波三個方向的加速度時程見圖1。

圖1　地震波三方向加速度時程曲線

2.2工程概況

本文以西北地區某高墩連續剛構橋為實例，跨徑組合48 m+96 m+48 m，總長192 m，主梁截面為等截面單箱雙室箱梁。箱梁高為3.0 m，箱梁頂板寬24.0 m，底板寬16.0 m，兩翼懸臂長4.0 m，箱形截面的頂板和底板厚度為0.3 m，腹板厚度為0.6 m。1#墩高50.0 m，2#墩高70.0 m。橋墩采用空心薄壁結構，墩身斷面尺寸橫橋向12.0 m，順橋向9.0 m，橫橋向壁厚1.6 m，順橋向壁厚2.0 m，混凝土強度等級為C50。該橋的三維有限元模型見圖2。模型中，等截面主梁和變截面空心橋墩分別采用梁單元beam44和梁單元beam188來進行模擬。總體坐標系下，X方向為縱橋方向，Y方向為橫橋方向，Z方向為豎橋方向。兩橋墩墩底所有自由度被約束即固結，邊跨兩端約束了豎向位移和扭轉兩自由度，主梁節點與橋墩用節點耦合來模擬支座。

圖2　三維有限元模型

3模態分析及地震反應時程分析

3.1模態分析

該高墩連續剛構橋的模態采用分塊Lanczos方法進行分析，為了滿足計算精度要求，采用前100階模態參與計算，表1列出了前6階的自振頻率和相應的振型特征。

表1　自振頻率和相應的振型特征

3.2地震反應時程分析

地震反應時程分析結果見表2、表3，響應曲線見圖3～圖11。

由表2可知，地震波在縱橋方向輸入時，主梁位移響應以縱橋方向及豎向位多為主，橫橋向位移響應很小，可以忽略不計；由表3可知，兩墩縱向剪力相差不大，而矮墩的軸力和橫向彎矩較高墩大；由圖3～圖5可知，主梁跨中縱向位移、豎向位移和1#墩頂橫向彎矩最大響應出現在地震波輸入后2.4 s左右。

表2　剛構橋主梁主要節點最大位移響應

表3　剛構橋墩頂和墩底內力最大響應

圖3　主梁跨中縱向位移時程響應曲線

圖4　主梁跨中豎向位移時程響應曲線

圖5　1#墩頂橫向彎矩時程響應曲線

圖6　主梁跨中橫向位移時程響應曲線

圖7　1#墩頂橫向剪力時程響應曲線

圖8　1#墩頂縱向彎矩時程響應曲線

圖9　主梁跨中豎向位移時程響應曲線

圖10　1#墩頂縱向剪力時程響應曲線

由表2可知，地震波在橫橋方向輸入時，主梁位移響應以橫橋方向為主，縱橋方向和豎向位移響應很小，可以忽略不計；由表3可知，除2#墩墩頂扭矩較1#墩更大外，其余內力均較1#墩更小；由圖6～圖8可知，主梁跨中橫向位移、1#墩頂橫向剪力和縱向彎矩最大響應出現在地震波輸入后12.3 s左右。

由表2可知，地震波在豎向輸入時，主梁位移響應以豎向為主，縱橋方向和橫橋方向位移響應很小，可以忽略不計；由表3可知，除1#墩扭矩和墩頂縱向彎矩較2#墩更大外，其余內力均較2#墩更小；由圖9～圖11可知，主梁跨中位移最大響應出現在地震波輸入后4.5 s和11.5 s左右，1#墩頂縱向剪力最大響應出現在地震波輸入后1.1 s左右，1#墩頂橫向彎矩最大響應出現在地震波輸入后3.8 s左右。

4結論

(1)地震影響下，高墩連續剛構橋對不同方向地震波輸入時響應有所不同，因此，對結構自振特性和地震波頻率成份的分布情況進行詳細分析是研究的基礎。

(2)主梁跨中及墩梁連接處(支座)位移和內力響應較大，支座是高墩連續橋梁的薄弱環節，在進行抗震設計和震后橋梁的檢查中，支座應列為重點對象來對待。

圖11　1#墩頂橫向彎矩時程響應曲線

(3)高墩連續橋梁的縱橋向位移在地震波三個方向輸入中響應都是最大的，在設計高墩剛構橋時，應加強縱橋向的抗壓和抗拉強度。

參考文獻

[1]馬保林.高墩大跨連續剛構橋[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]沈聚敏，周錫元，高小旺，等.抗震工程學[M].北京：中國建筑工業出版社，2000.

[3]范立礎.橋梁抗震[M].上海：同濟大學出版社，2001.

[4]李國豪.橋梁結構穩定與振動[M].北京:中國鐵道出版社，1992.

[5]汪秀根.高墩大跨連續剛構橋地震反應時程分析[J].林業建設，2010(1)：59-64.

[6]石柱.高墩連續梁橋的地震響應時程分析[J].中外公路，2010，30(6):108-111.

[7]陳卉卉，賈程.大跨度連續剛構橋的地震反應分析[J].鹽城工學院學報: 自然科學版,2008，21(2)：74-78.

[8]竹曉華 連續剛構橋地震反應分析[J].鐵道工程學報，2008(10)：15-21.

【文獻標志碼】A

【中圖分類號】U442.5+5

[作者簡介]鄭江偉(1977～)，男，本科，工程師，研究方向：橋梁施工、市政工程。

[定稿日期]2015-08-20