高墩小半徑曲線連續(xù)梁橋地震響應(yīng)分析

■李騰飛

(新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000）

高墩小半徑曲線連續(xù)梁橋地震響應(yīng)分析

■李騰飛

(新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000）

為確定高墩小半徑曲線連續(xù)梁橋的振動(dòng)特性和最不利地震輸入方向，以某城市高墩小半徑曲線連續(xù)箱梁橋?yàn)閷?shí)例，對其進(jìn)行了振動(dòng)特性和地震響應(yīng)分析。運(yùn)用MIDAS/Civil有限元軟件建立了該橋空間有限元計(jì)算模型，采用線性反應(yīng)譜法得出最不利地震輸入方向，基于非線性時(shí)程分析方法，分析了高墩小半徑曲線橋的振動(dòng)特性及其地震響應(yīng)的主要影響因素，為抗震設(shè)計(jì)提供有意義的參考。

小半徑 曲線連續(xù)箱梁橋 振動(dòng)特性 地震響應(yīng)

0 引言

近年來，我國城鎮(zhèn)化建設(shè)和交通事業(yè)的發(fā)展十分迅速，伴隨而來的是與日俱增的交通量，為此許多中大型城市修建了立交橋，其中曲線連續(xù)梁橋的應(yīng)用越來越廣泛。由于曲線連續(xù)梁橋小半徑產(chǎn)生的彎扭耦合效應(yīng)非常明顯，而且具有很強(qiáng)的非規(guī)則性，因此在地震荷載下非常容易遭到損壞。國內(nèi)關(guān)于小半徑曲線梁橋的抗震分析也有過比較全面的研究[1-3]。本文以某高墩小半徑曲線連續(xù)箱梁橋?yàn)樵停⒉煌挠?jì)算模型，分析樁土作用對該橋自振特性及地震響應(yīng)的影響，探討曲線連續(xù)箱梁橋地震響應(yīng)分析時(shí)地震波最不利的輸入方向。

1 工程背景

本文以一聯(lián)3跨高墩小半徑曲線連續(xù)梁橋?yàn)楸尘?，該?lián)曲率半徑為50m，跨徑為3×30m。主梁采用直腹式單箱單室截面，橋面寬8m，梁高1.7m，橋墩高43m至46m不等，下部結(jié)構(gòu)為八邊形截面單柱式橋墩，邊支座采用盆式橡膠支座，每個(gè)邊墩設(shè)置內(nèi)外側(cè)兩個(gè)支座，中墩均采用墩梁固結(jié)形式。每個(gè)橋墩下布置兩根樁徑為2m的鉆孔樁。標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖1，橋梁平面示意圖見圖2。

圖1 箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位：cm）

圖2 橋梁平面圖(單位：m）

2 有限元模型及最不利輸入方向

2.1 有限元模型

采用MIDAS/Civil有限元軟件建立該橋空間初始計(jì)算模型，主梁和蓋梁、墩柱均使用梁單元模擬。盆式支座采用線彈性連接模擬，外側(cè)支座考慮豎向和橫向剛度，內(nèi)側(cè)支座只考慮豎向剛度，主梁與支座頂、蓋梁與墩頂、主梁與跨中墩頂皆采用剛性連接，墩底固結(jié)。

2.2 最不利地震輸入方向研究

由于曲線梁橋的地震響應(yīng)分析中存在地震動(dòng)最不利輸入方向的問題［4,5］，地震輸入方向不同，則結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)不同，本文采用地震反應(yīng)譜方法，計(jì)算不同地震動(dòng)輸入方向下橋墩的內(nèi)力和變形，從而得到最不利地震輸入方向。根據(jù) 《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T B02-01-2008）[6]劃分，該橋抗震設(shè)防類別為B類，地震基本烈度7度，地震動(dòng)峰值加速度0.1g，采用8度抗震設(shè)防措施，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.40s，抗震重要性修正系數(shù)：E1地震作用為0.5，E2地震作用為1.7，場地系數(shù)Cs=1.0，阻尼調(diào)整系數(shù)1.0，橋梁的阻尼比取為0.05，根據(jù)以上參數(shù)可確定反應(yīng)譜曲線。

模型中設(shè)置以下6種地震動(dòng)輸入方向，比較6種情況下橋墩的內(nèi)力。

方向1:1#墩和4#墩墩頂連線方向 (圖2中的X軸方向），即曲線梁橋的始終點(diǎn)連線方向，簡稱“割線方向”。

方向2:與方向1垂直的方向(圖2中的Y軸方向），簡稱“垂直割線方向”。

方向3:2#墩處橋梁中心曲線的切線方向，簡稱“2#墩切線方向”。

方向4:與方向3垂直的方向，簡稱 “2#墩徑線方向”。

方向5:3#墩處橋梁中心曲線的切線方向，簡稱“3#墩切線方向”。

方向6:與方向5垂直的方向，簡稱 “3#墩徑線方向”。

以初始有限元模型為例，采用地震反應(yīng)譜方法，限于篇幅，本文僅考慮E1水準(zhǔn)，且只給出上述6種方向下2#、3#橋墩的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，圖3、圖4分別為2#和3#墩頂、墩底的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果對比圖。

由圖3可知，2#墩徑向引起的墩頂、底剪力Fz最大，2#墩切向引起的墩頂、底剪力Fy最大，割線方向引起的墩頂、底軸力Fx最大，其中垂直割線方向產(chǎn)生的墩頂、底剪力Fz與2#墩徑向相比差值較小，割線方向產(chǎn)生的墩頂、底剪力Fy與2#墩切向相比差值也不大；2#墩徑向引起的墩頂、底彎矩My最大，2#墩切向引起的墩頂、底彎矩Mz和扭矩Mx最大。

圖3 2#橋墩內(nèi)力計(jì)算結(jié)果對比圖(墩頂、底扭矩兩線幾乎重合）

圖4 3#橋墩內(nèi)力計(jì)算結(jié)果對比圖(b）(墩頂、底扭矩兩線幾乎重合）

由圖4可知，3#墩的內(nèi)力對比情況和2#墩類似，故不再作詳細(xì)討論。

通過分析橋墩在6種不同方向地震作用下內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，得到以下結(jié)論：除了割線方向引起的2#墩軸力Fx最大以外，橋墩其余最大內(nèi)力主要是由3#墩切向地震作用以及2#墩徑向地震作用引起的，并且內(nèi)力值在數(shù)值上和由割線方向、垂直割線方向地震作用引起的內(nèi)力值相接近，其差值滿足工程精度要求。綜合考慮，可以將割線方向和垂直割線方向看作曲線梁橋的最不利地震輸入方向，同時(shí)也可以采用其它的地震輸入方向來優(yōu)化計(jì)算結(jié)果。

3 自振特性及主要影響因素

橋梁在地震荷載作用下會發(fā)生復(fù)雜的空間振動(dòng)，其自振特性及地震響應(yīng)往往受到各種因素的影響，比較典型的因素有樁土共同作用。下面將采用非線性時(shí)程法，建立該影響因素相對應(yīng)的有限元模型，研究對比和上文初始有限元模型的差異。根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》第5.2.3和6.5.2款，時(shí)程分析的地震波采用人工生成的方式，按照上文設(shè)計(jì)的反應(yīng)譜E1生成3條地震波，地震輸入方向?yàn)樯衔乃龅母罹€方向和垂直割線方向，本文僅考慮了E1水準(zhǔn)下的地震作用，荷載工況為3組地震波計(jì)算結(jié)果的最大值。

樁土共同作用的影響:

實(shí)際橋梁工程中樁土共同作用對結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性、地震響應(yīng)有較大影響[7]，考慮墩底樁土的共同作用，即在墩底用6根等效彈簧模擬基礎(chǔ)6個(gè)方向上的剛度。因此在建模時(shí)，樁基礎(chǔ)采用一個(gè)等代土彈簧模型加以模擬，其剛度可采用土介質(zhì)彈性值的m法計(jì)算。

從表1中可以看出，考慮樁土作用的前5階模態(tài)自振頻率均比墩底固結(jié)要小，說明結(jié)構(gòu)體系變?nèi)?，自振周期變長，且前兩階相同振型的頻率分別降低了8%和10%。

由圖5可知，墩底固結(jié)相對與考慮樁土作用的地震響應(yīng)，可以得出以下結(jié)論：支座反力均有所增大，其中1#墩內(nèi)側(cè)支座增幅達(dá)20%；墩底彎矩My均顯著減小，墩底彎矩Mz只有2#墩底、3#墩底顯著減小，幅值分別為22%和23%。2#、3#墩頂位移DX無明顯變化，其余各墩頂位移都有較大增加，原因是2#、3#墩為墩梁固結(jié)，樁土作用下的剛度減少程度比1#、3#墩小的多；主梁中跨跨中位移DX基本無變化，起點(diǎn)和終點(diǎn)位移均增大，說明樁土作用對跨中部位的縱向剛度影響較小。

4 結(jié)論

(1）可以將割線方向和垂直割線方向看作曲線梁橋的最不利地震輸入方向，同時(shí)也可以采用其它的地震輸入方向來優(yōu)化計(jì)算結(jié)果。

表1 考慮樁土作用對曲線梁橋自振特性的影響

圖5 考慮樁土作用對曲線梁橋時(shí)程反應(yīng)峰值的影響

(2）樁土作用對地震響應(yīng)有較大影響，但跨中部位的縱向剛度受其影響較小。考慮樁土作用將減少高墩曲線梁橋的整體剛度，自振周期變長。設(shè)計(jì)中可以通過調(diào)整樁周圍土體彈性模量調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度。

[1]滕軍,呂海霞,吳紅軍,郭時(shí)安.高墩小半徑曲線梁橋抗震分析的若干問題討論[J].工程抗震與加固改造,2008,30(5）:56-60.

[2]戴公連,劉文碩,曾敏.小半徑城市高架曲線梁橋地震動(dòng)響應(yīng)研究[J].振動(dòng)與沖 擊,2012,31(2）:156-160.

[3]王陽春,徐秀麗,李雪紅,李枝軍.小半徑匝道曲線梁橋地震響應(yīng)分析[J].世界地震工程,2014,30(1）:155-159.

[4]全偉,李宏男.曲線橋多維地震時(shí)程分析主方向研究[J].振動(dòng)與沖擊,2008,27(8）:20-24.

[5]曾敏.小半徑曲線梁橋地震響應(yīng)分析及減隔震研究[D]長沙:中南大學(xué)土木建筑學(xué)院,2009.

[6]JTG/T B02-01-2008,公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則[S].北京:人民交通出版社,2008.

[7]李杰,陳淮,王艷.雙薄壁高墩曲線連續(xù)剛構(gòu)橋地震響應(yīng)分析[J].世界地震工程,20012,28(4）:37-43.