不同墩高對于剛構(gòu)橋墩柱易損性分析

程　旭，龐月明（安徽建筑大學(xué)　土木工程學(xué)院，安徽　合肥　230022）

不同墩高對于剛構(gòu)橋墩柱易損性分析

程旭，龐月明
（安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽合肥230022）

摘要：結(jié)合某地區(qū)一座跨河大跨度高墩鋼構(gòu)橋工程實例，采用有限元分析程序軟件Midas civil，選取梁單元和柱單元建立有限元計算模型，建立三個不同墩高有限元模型.分析結(jié)果表明：不同墩高變化對大跨度鋼構(gòu)橋的抗震性能有較大影響，可以為工程建設(shè)提供參考依據(jù).

關(guān)鍵詞：剛構(gòu)橋；有限元法；易損性曲線；墩高；參數(shù)分析

我國是處在多震的國家，在地震作用下會產(chǎn)生不同情況破壞，因此服務(wù)與公共安全的橋梁在抗震研究中處于非常重要地位，.由于我國地形分布差異很大，為了提供順暢的交通，在一些山區(qū)必須修建許多大跨徑高墩柱剛構(gòu)橋[4-5]，由于剛構(gòu)橋橋墩較高，跨度大，造價高，抗震性能與其他橋相比比較復(fù)雜.下列簡單介紹目前學(xué)者對剛構(gòu)橋抗震所做研究.范立礎(chǔ)[1]利用反應(yīng)譜法分析不同類型剛構(gòu)橋并總結(jié)出在不同地震作用下的截面特性.劉懷林、劉徰[6-7]等利用我國新頒布公路抗震規(guī)范對剛構(gòu)橋進行抗震分析和驗算.從學(xué)者對剛構(gòu)橋的抗震研究主要就是靜力分析，動態(tài)分析.本案例采用通用有限元程序Midas對高墩鋼構(gòu)橋進行易損性分析，其中計算方法和計算結(jié)果可供有關(guān)設(shè)計人員參考依據(jù).

1　工程概況

我國西南某橋梁起點樁號為K25+949，終點樁號為K26+585.15，橋梁全長為636.15米.橋面寬度為15m，橋梁橫坡設(shè)計為2%.場址區(qū)位于石屏至嵩明地震帶上，西距小江斷裂帶約6千米，地震以震級大、頻度低為其特征，地質(zhì)條件為硬質(zhì)巖層為主其中夾有軟石，有利于地應(yīng)力集中和釋放.查當(dāng)?shù)刭Y料得到場址抗震烈度為9級，大橋上部結(jié)構(gòu)采用（120+220+120m）連續(xù)剛構(gòu)+（4×40m）簡支T梁，橋梁主墩為鋼筋砼雙薄壁墩，墩高分別為50m，78m，100m，單個薄壁墩的尺寸為3*8m，兩薄壁墩之間的間距為9.7m，為確保裸墩狀態(tài)下的穩(wěn)定性，建議在1/3墩高處兩薄壁墩之間加橫向聯(lián)系.

2建立Midas有限元模型和計算過程

建立Midas有限元模型橋墩采用矩形截面3*8，全橋模型均采用單元模擬，在綜合考慮計算結(jié)果和計算量下，墩柱每個單元長度設(shè)置為6m，主梁采用變截面和變截面組的方式去組合，主梁單元長度為5m，邊跨兩端分別采用固定支座和滑動支座，主墩和梁單元采用剛性連接，因為本文主要研究橋墩對剛構(gòu)橋抗震性能影響，不考慮樁土效應(yīng)橋墩底部直接采用剛性接.

從當(dāng)?shù)匾?guī)范查到本橋梁設(shè)計抗震分組為第二組，II類場地類型，其橋址的特征周期為0.40s分析時長為50s，時間步長0.02s，瑞利阻尼，阻尼比0.05，根據(jù)非線性動力時程分析，得到相對應(yīng)于每條波的最大墩頂相對位移Δ，然后求得相應(yīng)的位移延性比μ=Δ/Δcy1，即μ=Δ/1.8.下列圖2墩柱在Hollywood 270 Deg作用下墩頂位移時程曲線圖.

圖1主墩為78米Midas有限元模型

表1利用Midas建立橋墩抗震時程分析主要流程

圖2 Hollywood 270 Deg地震波

2.1損傷指標的計算

在不改變橋梁上部質(zhì)量、墩柱配筋率、墩柱截面形式的條件下，改變墩柱的高度，將墩柱高度分別設(shè)置為100m和50m，通過計算分別得到其對應(yīng)的易損性曲線，從而得到墩柱高度的變化對易損性曲線的影響.對2#墩柱再次進行彎矩-曲率分析得到橋墩截面的延性損傷指標，其計算結(jié)果如表2所示：

表2計算彎矩—曲率橋墩截面延性指標

根據(jù)墩柱位移延性比損傷指標計算公式，通過計算得到改變墩柱高度后4個損傷等級所對應(yīng)的損傷指標，具體損傷指標數(shù)值如表3所示：

表3計算不同墩高在不同損傷等級的指標參數(shù)

從表3中可以看出，隨著，其位移延性比比值隨著墩柱高度的增加而減小，其對應(yīng)于某種損傷程度的損傷指標值隨著墩柱高度的增大而增大；反之，其位移延性比比值隨著墩柱高度的減小而增大，其對應(yīng)于某種損傷程度的損傷指標值隨著墩柱高度的減小而減小.

2.2不同損傷易損性曲線對比

運用第上述方法對PGA和μ的對數(shù)進行線性回歸分析得到擬合函數(shù)，進而計算出對應(yīng)于每一種損傷程度的損傷概率得到易損性曲線如圖3圖4表示：

圖3墩高為50m易損性曲線圖

分析如下：

a)從圖3、圖4中看到，隨著PGA的增大，對應(yīng)于每種損傷狀態(tài)的超越概率隨之增大，這一點是不變的；

b)當(dāng)輕微損傷和中等損傷的概率在PGA＜0.4g時超越的概率增大的非常急劇，相對而言易損性圖3增大的速度比易損性圖4增大的速度要快，圖3在PGA為0.3g左右已經(jīng)達到了100%，圖4在PGA為0.7g左右才近似達到100%.

圖4墩高為100m易損性曲線圖

c)嚴重損傷和完全破壞概率曲線兩者相差最大圖3增大的較為急劇，而圖4表現(xiàn)的較為緩慢.

3　結(jié)論

（1）隨著墩柱高度的增加，墩柱變得更為柔性，抵抗地震的能力也就越強，因此從抗震的角度出發(fā)來看，墩柱越高越好，墩柱高度有無臨界值本文不做研究.

（2）當(dāng)采用不同墩高的剛構(gòu)橋?qū)拐鹦阅苡泻苊黠@影響效果.

（3）采用Midas有限元軟件分析程序，能很好的分析結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形及動力特性.

（4）位移延性比比值隨著墩柱高度的增加而減小，其對應(yīng)于某種損傷程度的損傷指標值隨著墩柱高度的增大而增大；反之，其位移延性比比值隨著墩柱高度的減小而增大，其對應(yīng)于某種損傷程度的損傷指標值隨著墩柱高度的減小而減小.

參考文獻：

〔1〕范立礎(chǔ).上海：同濟大學(xué)出版社，1997.

〔2〕EERI，EarthquakeEngineeringResearchInstiute，Northridge EarthquakeReconnaissance report[J].April 1995，523.

〔3〕孫文福，曹鳳娟.中國大陸地震趨勢分析[J].華南地震，2008，28(3)：11-20.

〔4〕肖瀟，陳振富.橋梁抗震與減隔震[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

〔5〕王占飛，趙中華.基于性能的橋梁抗震設(shè)計理論與實踐[M].北京：中國水利水電出版社，2013.

〔6〕中華人民共和國住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50011-2010.建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

〔7〕中華人民共和國交通運輸部.JTG/T B02-01-2008.公路橋梁抗震設(shè)計細則.北京：人民交通出版社，1990.

〔8〕中華人民共和國鐵道部.GB50111-2006.鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范.2006.

〔9〕黃龍生，姜淑珍.公路橋震害損失預(yù)測的研究[J].地震工程與工程振動，1995，15(4)：113-117．

〔10〕潘龍，孫利民，范立礎(chǔ).基于推倒分析的橋梁地震損傷評估模型與方法[J].同濟大學(xué)學(xué)報，2001，29(1)：10-14.

中圖分類號：U443.22

文獻標識碼：A

文章編號：1673-260X（2015）09-0050-02