施工尺寸誤差對T型剛構模型橋動力計算影響分析

饒家萁

(西南交通大學土木工程學院, 四川成都 610000)

振動臺試驗是考察結構地震反應和破壞機理最直接的方法，也是研究與評價結構抗震性能的重要手段之一[1]。對于實際中的結構施工尺寸誤差相對整個結構來說影響不大，而對于試驗模型，特別是混凝土試驗模型來說，施工尺寸誤差會產生巨大的影響。本文依托某振動臺T型剛構橋模型試驗方案，建立設計方案和實際結果兩種情況下的數值模型，并對動力特性以及地震時程分析結果進行對比。

1 方案設計

某T型剛構橋模型按原橋1/10的比例尺進行縮放，全橋均采用C40混凝土澆筑，整體布置見圖1。主梁采用單箱單室截面，梁高按二次曲線變化，變梁高端長111cm,橋墩采用空心矩形截面，墩底設置50cm實心段，設計承臺方便模型與振動臺錨固。主梁及橋墩各截面尺寸見圖2。現今混凝土施工水平有限，箱梁頂板整體偏厚1cm,底板偏厚0.5cm;橋墩外輪廓尺寸為設計值，空心截面壁厚偏厚0.5cm。

圖1 整體布置(單位：cm)

圖2 主梁及橋墩截面(單位：cm)

2 有限元模型建立

橋梁震害資料表明[2]，主梁在地震作用下發生破壞可能性比較小，多處于線彈性階段，采用OpenSEES中彈性梁柱單元(ElasticBeamColumnElement);橋墩為易損構件，采用橋墩采用非線性纖維梁柱單元(ForceBeamColumnElement),以便得到橋墩截面各點鋼筋和混凝土應力應變[3]。本文采用OpenSEES中的單軸材料Steel02模擬鋼筋，Concret01模擬混凝土，并考慮約核心混凝土約束效應，梁端邊界約束橫橋向豎橋向平動以及縱向扭轉。地震荷載采用一致激勵，分別分析縱橋向、橫橋向和豎橋向地震作用下結構響應。

3 動力特性分析

頻率和振型是反應結構動力特性的重要指標，是結構質量分布和剛度分布的重要體現指標。設計模型和實際模型橋動力特性計算結果見表1,模型誤差主要出現在梁頂底板厚度和橋墩矩形空心截面厚度。根據截面特性計算公式，尺寸對截面特性影響為4次、對質量影響為3次，盡管尺寸誤差對剛度影響較大，但結果并非一致增大。可能原因是：對于該結構雖然截面特性增大，但該截面剛度不參與或者參與某一振型較少，而質量均參與貢獻，如一階縱飄，主梁剛度參與剛度貢獻較少，質量增加，頻率降低。

4 地震時程分析

有限元模型中，在各支撐點采用一致地震輸入時，多質點體系的地震振動方程為[4]：

表1 動力特性計算結果

本文采用汶川實測地震波進行分析，圖3為實測地震波三個方向的加速度時程,阻尼比取0.05時反應譜見圖4。地震動詳細數據見表2。

圖3 地震動加速度時程

圖4 地震反應譜

表2 輸入地震動信息

分別作用縱向、橫向和豎向地震荷載，分別提取墩頂縱向、橫向和跨中的位移、速度和加速度的最大值，結果見表3。結果表明：在橫向地震荷載作用下設計模型和實際模型位移、速度和加速度差值均1.6 %以下，這與梁端邊界約束了橫向位移有關，橫向響應受到邊界約束；縱向和豎向荷載作用下結構響應差值均在3.3 %以上，且實際模型響應均比設計模型小，這與實際模型截面增大，截面剛度增加有關。

地震作用下，橋墩為易損構件，塑性鉸往往出現在墩底。地震作用下提取墩底截面曲率、最外側鋼筋混凝土應力應變最大值，鋼筋應力應變結果見表4。結果表明在豎向地震作用下鋼筋應力應變均在2.5 %以內；橫向豎向地震作用下鋼筋應力應變差別均在6 %以上。混凝土應力應變結果見表5，混凝土與鋼筋結果表現一致。

表3 時程分析位移速度加速度結果

表4 鋼筋應力應變表

5 結束語

根據OpenSEES建模分析得到的結果，可以得到以下結論：

表5 混凝土應力應變表

(1)施工尺寸誤差對動力特性結果影響相對較小均在4 %以內，不同振型影響大小存在差異，主要與邊界條件有關。

(2)試驗模型位移速度加速度等響應受施工尺寸差值相對較大，達到9 %，在進行試驗設計時應考慮尺寸誤差的影響。

(3)墩底為危險截面，施工誤差對鋼筋混凝土應力應變影響相對較大，達到9.5 %，使截面應力應變增大，會使墩底塑性鉸出現提前，試驗設計中應當考慮。