山區(qū)整體式橋梁地震響應模擬分析

黃 強 張佳寧

(1、重慶市雄遠工程勘察設計有限公司，重慶408500 2、重慶科技學院，重慶401331）

近幾十年來，我國西部山區(qū)交通基礎建設發(fā)展飛速，越來越多的高速公路、橋梁、鐵路等大型基礎設施向山區(qū)挺進。整體式橋梁由于其橋身與橋臺之間沒有設置支座和伸縮縫，而是剛性連接為一體，從而具有能極大地節(jié)省橋梁壽命周期的維護與維修費用、無縫橋能夠克服傳統(tǒng)橋梁在耐久性和抗震性能方面的不足、橋梁伸縮縫的病害問題等優(yōu)點，廣泛應用于山區(qū)橋梁的建設中[1]。我國西部山區(qū)地形地貌特殊，且處于地震高發(fā)地段，山區(qū)降水量豐富，河岸山體巨大且較高，懸崖陡峭，容易發(fā)生地震、崩塌等災害，尤其是地震災害具有極大的破壞性，直接影響到山區(qū)交通基礎設施以及其它建筑結(jié)構(gòu)的安全與運營。橋梁作為連接山區(qū)交通路線的關(guān)鍵樞紐，是山區(qū)交通基礎建設中不可或缺的結(jié)構(gòu)物，一旦橋梁受地震災害影響損壞，將嚴重威脅到山區(qū)交通路線的安全運營以及人員活動安全，所以研究山區(qū)橋梁地震響應和應對措施，提高山區(qū)橋梁的抗震性能，對保證山區(qū)交通運營安全、促進山區(qū)發(fā)展有著十分重要的意義。本文基于ANSYS有限元軟件，建立了該山區(qū)整體式橋梁的有限元模型，并分析其固有動力特性，再基于反應譜法施加地震效應，分析其在地震荷載下的動力反應，以期為今后類似的山區(qū)整體式橋梁抗震設計，提供一定意義的理論參考。

1 反映譜分析

隨著社會科學技術(shù)的發(fā)展，越來越多的人投入結(jié)構(gòu)物抗震研究中，關(guān)于結(jié)構(gòu)物抗震分析領(lǐng)域的理論和實踐也在逐步完善。目前人們采用的抗震分析手段主要分為三種類型：靜力法、反應譜法以及時程分析法[2]。其中地震反應譜法是指一種關(guān)系曲線，該曲線表示了單自由度體系在給定的地震作用下其最大絕對加速度反應與體系自振周期之間的關(guān)系。運用反應譜法分析結(jié)構(gòu)物抗震反應，可以實現(xiàn)將計算結(jié)構(gòu)的動力問題轉(zhuǎn)化計算結(jié)構(gòu)的靜力問題。作為結(jié)構(gòu)物抗震的計算方法之一，反應譜法計算結(jié)構(gòu)物的地震響應時，既考慮了地面的運動特征，又考慮了結(jié)構(gòu)的動力特性[3]。采用反應譜法分析結(jié)構(gòu)物在的證作用下的響應時，一般按照首先根據(jù)地震波記錄得到反應譜——再提取分析對象的各階模態(tài)——然后根據(jù)反應譜理論計算各階振型的地震作用——最后通過組合疊加計算總的地震最大響應[4]。

2 有限元模型

該整體式橋梁總長5×40=200m，橋幅寬度12m，高差約70m，橋跨為5 跨，橋梁的上部結(jié)構(gòu)為混凝土T 梁，屬于先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)體系。梁高2.5m，橫橋向每跨共5 片T 梁，3 片中梁，2 片邊梁，梁肋中距2.4m。中梁預制梁寬1.70m，邊梁預制梁寬2.05m。其材料參數(shù)如表1 所示。本模型采用Beam188 單元跟Solid187 單元建立，其中預應力混凝土T 梁使用Beam188 單元，橋墩采用Solid187 單元建立。該橋梁橋墩底面采用固結(jié)約束，圖1 為有限元模型示意圖。

圖1 整體式橋梁有限元模型

表1 材料參數(shù)

3 地震反應譜分析

建立好山區(qū)整體式橋梁有限元模型后，按照反應譜法分析的一般步驟對結(jié)構(gòu)物的地震響應進行分析，首先要提取出該山區(qū)整體式橋梁有限元模型的固有動力特性，提取固有動力特性的目的是進行模態(tài)求解，提取該山區(qū)整體式橋梁有限元模型模態(tài)的方法為蘭索斯法（Block-lanczos）,提取出該模型的10 階模態(tài)。然后進行譜分析求解，設置求解的模態(tài)階數(shù)為10，激勵方向為X 向和Y 向，按照表2 輸入頻率譜值，進行求解。再進行模態(tài)擴展，指定要擴展的階數(shù)為10，進行求解。最后進行模態(tài)合并指定分析類型為譜分析，缺省時的譜分析類型為單點響應譜，指定模態(tài)合并方法為SRSS,進行最后的求解。得到該鋼桁架梁橋在受地震激勵下的圖2 整體等效應力云圖。

表2 頻率- 譜值表

4 結(jié)論與建議

利用有限元分析軟件ansys，對山區(qū)整體式橋梁在縱橫共同地震作用下的響應規(guī)律進行了模擬分析。通過分析得到如下結(jié)論與建議：

圖2 整體等效應力云圖

4.1 從山區(qū)整體式橋梁受地震激勵作用時的位移云圖和等效應力云圖可以看出：橋梁整體呈現(xiàn)出對稱向上彎曲的形態(tài)，其中橋梁端部和橋梁中間部位在地震激勵的作用下變形較大，因此，在進行山區(qū)整體式橋梁設計時，應該充分考慮該位置的材料，以及是否可以采取其它附加材料減輕該位置的變形程度。

4.2 利用有限元軟件ANSYS 中的反應譜方法能很好地觀察到整體式橋梁在受地震激勵作用時的響應規(guī)律以及受力特點。

4.3 本研究只考慮了山區(qū)整體式橋梁受縱橫共同地震作用下的響應分析，并沒有考慮多點激勵、地震反應譜不同及其它因素等影響，且對橋墩底部約束進行了簡化，未考慮土- 結(jié)構(gòu)的相互作用，模擬結(jié)果與實際情況有一定差距。若想清楚地認識山區(qū)整體式橋梁受縱橫向共同地震作用下的響應規(guī)律，還需要豐富模型的工況、考慮土體對橋墩的約束影響以及必要的實驗驗證。