墩高對(duì)簡(jiǎn)支梁橋抗震性能的影響分析

王 欣 白海峰

(大連交通大學(xué)土木與安全工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

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墩高對(duì)簡(jiǎn)支梁橋抗震性能的影響分析

王 欣 白海峰

(大連交通大學(xué)土木與安全工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

以位于高烈度地區(qū)的某高墩橋梁為例，建立了計(jì)算模型，對(duì)不同高度橋墩進(jìn)行反應(yīng)譜分析和非線性時(shí)程分析，研究了高墩簡(jiǎn)支橋梁在高烈度地震作用下不同墩型對(duì)墩底彎矩的影響，分析表明高墩簡(jiǎn)支梁橋整體呈現(xiàn)出柔性結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在高烈度地震作用下墩底產(chǎn)生較大彎矩，隨著墩高的增加，實(shí)心墩整體彎矩相對(duì)薄壁空心墩增加較快。

簡(jiǎn)支梁橋，反應(yīng)譜法，時(shí)程分析法，抗震性能

0 引言

橋梁是一個(gè)國(guó)家的生命線，橋梁的抗震性能十分重要。大多數(shù)橋梁工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范只適用于常規(guī)橋梁抗震分析，我國(guó)JTG/T B02—01—2008公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則規(guī)定墩高超過(guò)40 m的橋梁應(yīng)做專項(xiàng)研究[1]。高墩橋梁的抗震設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)還不豐富，所以研究高低墩的地震反應(yīng)特點(diǎn)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的合理抗震設(shè)計(jì)具有重要意義。

簡(jiǎn)支梁橋是梁式橋中應(yīng)用最為廣泛的一種橋型。本文以簡(jiǎn)支梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，建立地震作用下橋梁模型，采用MIDAS軟件對(duì)橋梁進(jìn)行模擬計(jì)算，通過(guò)反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法來(lái)研究地震荷載對(duì)墩柱的動(dòng)力響應(yīng)[2-6]。

1 橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析方法

本文對(duì)于橋梁抗震研究采用反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法。

1.1 反應(yīng)譜分析法

本文中橋梁反應(yīng)譜抗震分析的設(shè)防烈度為7度，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，場(chǎng)地特征周期為0.35 s，阻尼比為0.05，地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，結(jié)構(gòu)最大周期為6 s。

反應(yīng)譜法只考慮了地震動(dòng)的振幅和頻譜特性，計(jì)算簡(jiǎn)單。所以，只能得到結(jié)構(gòu)的最大反應(yīng)，不能反映結(jié)構(gòu)反應(yīng)隨時(shí)間變化的關(guān)系。

1.2 時(shí)程分析法[7]

本文時(shí)程分析時(shí)，采用非線性分析，選用人工地震波，選取前20 s作為分析時(shí)間，分析時(shí)間步長(zhǎng)為0.1 s，結(jié)構(gòu)振型的阻尼比為0.05。時(shí)程分析法考慮了地震動(dòng)的振幅、頻譜特性和持續(xù)時(shí)間三個(gè)要素，能夠較客觀的反映地震對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

2 簡(jiǎn)支梁橋地震反應(yīng)實(shí)例

2.1 工程概況

工程為雙幅式公路大橋，總長(zhǎng)320 m，橋梁凈寬度為9.6 m，由12跨加2個(gè)橋頭組成，單跨長(zhǎng)25 m，橋梁最高為60 m，橋梁上部構(gòu)造為25 m后張預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，25 m T梁預(yù)制梁高1.75 m，半幅橋每孔布置4片T梁。

本橋取左幅5跨～7跨為研究對(duì)象，橋墩墩身采用兩種不同的形式：矩形薄壁空心墩和實(shí)心墩，橫截面均采用3 m×5 m的形式，承臺(tái)為6.7 m×6.7 m的橫截面形式。

2.2 高墩結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

使用反應(yīng)譜法，振型組合類型為SRSS，采用多重Ritz向量法進(jìn)行60階模態(tài)分析。5號(hào)墩為40 m，6號(hào)墩60 m，7號(hào)墩50 m，取結(jié)構(gòu)前10階模態(tài)。

1)薄壁空心墩的自振特性如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)的自振特性(一)

結(jié)構(gòu)的前60階振型，X，Y，Z三個(gè)方向平動(dòng)的振型參與質(zhì)量分別是 99.53 %,98.84%,97.74%，滿足規(guī)范上振型參與質(zhì)量達(dá)到總質(zhì)量90%以上的要求。從表1中可以看出，振型1是順橋向的第一階振型，振型周期為2.021 s。振型2是橫橋向第一階振型，振型周期為1.572 s。

2)實(shí)心墩的自振特性如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)的自振特性(二)

結(jié)構(gòu)的前60階振型，X，Y，Z三個(gè)方向平動(dòng)的振型參與質(zhì)量分別是 99.1%，98.77%，98.07%，滿足規(guī)范上振型參與質(zhì)量達(dá)到總質(zhì)量90%以上的要求。從表2中可以看出，振型1是順橋向的第一階振型，振型周期為2.047 s。振型2是橫橋向第一階振型，振型周期為1.560 s。

自振周期的大小是橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度的直接表現(xiàn)。從表1,表2中可以看出，墩型的變化對(duì)于結(jié)構(gòu)的自振周期和頻率變化不大，均不大于8%，說(shuō)明在樁基剛度足夠時(shí)，這兩種墩型對(duì)于結(jié)構(gòu)分析結(jié)果影響不大。但是薄壁空心墩相對(duì)實(shí)心墩，墩柱增加的自重較小，從工程經(jīng)濟(jì)方面說(shuō)，這能夠很好的減輕工程的造價(jià)成本。

2.3 時(shí)程內(nèi)力分析

使用非線性時(shí)程分析法，對(duì)墩高5號(hào)40 m，6號(hào)60 m，7號(hào)50 m的薄壁空心墩和實(shí)心墩進(jìn)行抗震分析，選用人工地震波運(yùn)算，得到高墩墩底內(nèi)力，見(jiàn)表3。

表3 高墩地震作用下的墩底內(nèi)力

表4 矮墩地震作用下的墩底內(nèi)力

使用非線性時(shí)程分析法，對(duì)墩高5號(hào)8 m，6號(hào)12 m，7號(hào)10 m的薄壁空心墩和實(shí)心墩進(jìn)行抗震分析，選用人工地震波運(yùn)算，得到矮墩墩底內(nèi)力，見(jiàn)表4。

由表3，表4可以看出：隨著墩高的增加薄壁空心墩與實(shí)心墩在軸力、剪力和彎矩的差值相對(duì)越來(lái)越大。就剪力而言，在墩高較低時(shí)，薄壁空心墩的剪力相對(duì)實(shí)心墩的剪力相差較小。隨著墩高的增加，實(shí)心墩的剪力相對(duì)薄壁空心墩的剪力增加的較快。這主要是由于在相同墩高時(shí)，實(shí)心墩的本身重量就較大于薄壁空心墩，隨著墩高的增加，這兩種墩型自重的差量越來(lái)越大，而自重的增加會(huì)使橋墩在地震作用下產(chǎn)生較大的剪力，使得墩底的總剪力增加。剪力的增加，也使得上部結(jié)構(gòu)所傳遞的剪力對(duì)墩底彎矩的影響越來(lái)越大。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文的分析，可以得到如下結(jié)論：

1)隨著墩高的增加，結(jié)構(gòu)會(huì)變?nèi)帷?/p>

2)在墩高相同，樁基剛度足夠大時(shí)，薄壁空心墩和實(shí)心墩的自振周期和頻率相差不大。

3)薄壁空心墩和實(shí)心墩相比較，隨著墩高的增加內(nèi)力變化相對(duì)較慢。薄壁空心墩在墩底產(chǎn)生的內(nèi)力較小，有利于墩底的穩(wěn)定，而且所用材料較少，能夠有效的減少工程造價(jià)。

4)在模態(tài)分析中，各振型最大振幅位置基本集中在墩底固結(jié)處，墩頂?shù)炔课弧Ｔ诳拐鹪O(shè)計(jì)中應(yīng)注意這些截面的延性設(shè)計(jì)，使該處出現(xiàn)塑性鉸后能夠滿足變形的要求。

5)通過(guò)非線性分析，矮墩的地震反應(yīng)比高墩的小，一般墩越矮，反應(yīng)越小。簡(jiǎn)支橋各墩之間的耦聯(lián)反應(yīng)很小，呈單墩反應(yīng)。因此，墩越高地震反應(yīng)越大。

[1] JTG B02—01—2008，公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則[S].

[2] 王克海.橋梁抗震研究[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2014：8-33.

[3] 許 楠.中-小跨徑連續(xù)梁橋地震響應(yīng)分析[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2014.

[4] 朱文正.公路橋梁減、抗震防落梁系統(tǒng)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2004.

[5] 葉愛(ài)君，管仲國(guó).橋梁抗震[M].北京：人民交通出版社，2011：22-26.

[6] 柳春光.橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)與抗震性能分析[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009：61-63.

[7] Der Kiureghian A,Neuenhofer A.Response spectrum method for multi-support seismic excitations[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics，1992(21):713-740.

The impact on the seismic performanceof pier height simply supported beam bridge analysis

Wang Xin Bai Haifeng

(College of Civil Engineering and Safety, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

The paper is located in a highly seismic region high bridge pier example for analysis. And builds bridge calculation model to study the high pier simple bridge in highly seismic action when different types of piers produce impact to pier bottom moment and use response spectrum analysis and nonlinear time history analysis to study different height piers, the analysis shows a simply supported beam bridge with high piers overall showing flexible structural features, the pier at the end of a high intensity earthquake has a greater moment. With the increase of high pier, solid pier overall moment relatively thin-walled hollow pier increased rapidly.

simply supported beam bridge, response spectrum analysis, time history analysis, seismic performance

1009-6825(2016)12-0137-02

2016-02-18

王 欣(1987- )，男，在讀碩士

U441.3

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