多維地震作用下大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋動(dòng)力響應(yīng)研究

坎 彬

(云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,云南 昆明 650041)

0 引言

連續(xù)剛構(gòu)橋[1]具有跨越能力強(qiáng)、造型優(yōu)美等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高速公路中。由于連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槎啻纬o定結(jié)構(gòu)[2]，在地震等作用下會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)力，使得對(duì)結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生不利影響[3]。

為了解決地震作用對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋的影響，學(xué)者們對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋地震響應(yīng)進(jìn)行了研究[4-6]。肖龍等[7]在考慮地震動(dòng)的長周期特性基礎(chǔ)上，對(duì)規(guī)范反應(yīng)譜進(jìn)行修正，基于修正的反應(yīng)譜探究了某高墩連續(xù)剛構(gòu)橋地震響應(yīng)；李軍等[8]通過耐震時(shí)程法研究了連續(xù)剛構(gòu)橋動(dòng)力響應(yīng)以及橋墩損傷情況；王東升等[9]總結(jié)和歸納了我國當(dāng)前連續(xù)剛構(gòu)橋地震響應(yīng)問題，并提出了當(dāng)前連續(xù)剛構(gòu)橋抗震研究存在的不足之處；劉國強(qiáng)[10]、楊廣庭[11]、李俊[12]分別從交通運(yùn)行效率、不等高墩和高烈度地震角度研究了連續(xù)剛構(gòu)橋地震響應(yīng)。

上述成果探究了連續(xù)剛構(gòu)橋在單維地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)，然而理論研究和震害情況表明，地震發(fā)生時(shí)地面應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生復(fù)雜的多維運(yùn)動(dòng)，且結(jié)構(gòu)考慮多維地震作用下的響應(yīng)明顯異于單維地震情況。為了研究多維地震對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋的影響，本文以西南地區(qū)某超大跨度雙肢薄壁墩[13]連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ瘫尘埃骄慷嗑S地震作用下剛構(gòu)橋的動(dòng)力響應(yīng)問題。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

為探究多維地震作用下超大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋動(dòng)力響應(yīng)問題，以跨徑為(106+200+106) m的雙肢薄壁墩連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ瘫尘埃摌虻臉蛐筒贾们闆r如圖1所示。

剛構(gòu)橋主梁采用單箱單室箱形截面，箱梁頂寬11.5 m，底寬7 m，兩側(cè)翼緣懸臂長度2.25 m。箱梁橋墩支點(diǎn)處梁高12.6 m，跨中4.4 m，按1.8次拋物線漸變。

中間墩采用變截面雙薄壁墩，墩身寬8.0 m，厚2.2 m，相鄰兩薄壁墩凈距6.0 m。

主要材料如下：

1)混凝土：上部箱梁采用C55混凝土，主墩墩身、過渡墩墩帽、支座墊石的混凝土采用C50混凝土，過渡墩墩身采用C40混凝土，過渡墩承臺(tái)、橋墩樁基、擋塊及防撞護(hù)欄采用C30混凝土;承臺(tái)墊層采用C25片石混凝土。

2)預(yù)應(yīng)力鋼束：縱、橫向預(yù)應(yīng)力束采用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860 MPa 低松弛鋼絞線，公稱直徑15.2 mm，公稱面積140.0 mm2，彈性模量1.95×105MPa。

1.2 地震荷載

該橋橋址處地震動(dòng)峰值加速度為0.1g，反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，相當(dāng)于地震基本烈度區(qū)劃等于7度區(qū)，場地類別為Ⅰ類。首先結(jié)合橋址處場地條件，并結(jié)合JTG/T 2231-01—2020公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范可知，該橋抗震設(shè)防類別為A類，可得到如圖2所示的加速度反應(yīng)譜，其次將得到的規(guī)范反應(yīng)譜作為目標(biāo)反應(yīng)譜，不考慮地震行波效應(yīng)的影響，利用地震動(dòng)人工合成法得到3條水平波和1條豎向波如圖3所示。

1.3 工況設(shè)置

由于地震一般以時(shí)程的形式對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)，且地震激勵(lì)方向難以預(yù)見，因此地震時(shí)程分析時(shí)以縱向+橫向+豎向的三向多維地震激勵(lì)較為合理，工況設(shè)置情況如表1所示。

表1 工況設(shè)置

2 模型及動(dòng)力特性

2.1 計(jì)算模型

為了探究上述計(jì)算工況下剛構(gòu)橋的動(dòng)力響應(yīng)問題，有必要利用有限元軟件建立上述三跨雙肢薄壁高墩連續(xù)剛構(gòu)橋計(jì)算模型，全橋采用梁單元模擬主梁、橋墩、樁基以及承臺(tái)，采用彈性連接模擬梁端支座。在樁基進(jìn)行固結(jié)約束，在梁端約束豎向和橫向位移，縱向放開。全橋共計(jì)1 100個(gè)節(jié)點(diǎn)，870個(gè)單元，預(yù)應(yīng)力鋼束通過輸入鋼束坐標(biāo)并分配給主梁相應(yīng)單元進(jìn)行模擬，計(jì)算模型如圖4所示。

2.2 動(dòng)力特性

動(dòng)力特性是結(jié)構(gòu)固有屬性，對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性進(jìn)行研究有助于理解和掌握結(jié)構(gòu)基本受力特點(diǎn)，也是后續(xù)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析的基礎(chǔ)，該橋結(jié)構(gòu)自振特性如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)自振特性

3 計(jì)算與分析

3.1 反應(yīng)譜工況

1)位移。

按表1中計(jì)算工況1和計(jì)算工況2可得到反應(yīng)譜兩個(gè)計(jì)算工況下的主梁豎向、縱向和橫向位移，三者對(duì)應(yīng)的最大位移值和位置如表3，圖5所示。

表3 位移計(jì)算值

分析表3，圖5可知：

a.在縱向+豎向地震作用下的主梁豎向位移、縱向位移和橫向位移分別為0.050 8 m,0.304 m和0.003 m，最大值發(fā)生在2號(hào)墩頂主梁截面的縱向位移。

b.在橫向+豎向地震作用下的主梁豎向位移、縱向位移和橫向位移分別為0.054 m,0.005 m和0.381 m，最大值發(fā)生在主跨跨中2號(hào)墩方向13 m處的橫向位移。

c.縱(橫)向+豎向地震下的縱(橫)向位移最大，這是因?yàn)榭v(橫)向地震容易激發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)的縱(橫)向振型，進(jìn)而導(dǎo)致縱(橫)向的位移值較大。

2)內(nèi)力。

按表1中計(jì)算工況1和計(jì)算工況2可得到反應(yīng)譜兩個(gè)計(jì)算工況下的彎矩、剪力、扭矩和軸力計(jì)算，結(jié)果如表4，圖6所示。

表4 內(nèi)力計(jì)算值

分析表4，圖6可知：a.兩種地震工況作用下的彎矩值最大，尤其在橫向+豎向地震下的彎矩值最大，說明橫向剛度可能較低。b.在縱向+豎向地震作用下的彎矩、剪力、扭矩和軸力最大值分別為5.40×104kN·m，1.99×104kN，2.89×10-2kN·m和3.38×104kN。c.在橫向+豎向地震作用下的彎矩、剪力、扭矩和軸力最大值分別為6.34×105kN·m，2.06×104kN，8.89×104kN·m和3.39×104kN。

3.2 時(shí)程工況

1)位移。限于篇幅，下面僅給出了時(shí)程波1的縱向和橫向位移時(shí)程(如圖7所示)，而三個(gè)時(shí)程工況下的主梁縱向、橫向和豎向位移如表5所示。

表5 位移計(jì)算值

分析圖7，表5可知：a.整體而言，三個(gè)時(shí)程計(jì)算工況下的主梁縱向、橫向和豎向位移大體相差不大，這是因?yàn)槿齻€(gè)計(jì)算工況均為三向地震激勵(lì)，且三條水平波PGA相差不大。b.仔細(xì)對(duì)比分析可知，工況5下的位移值最大，這是因?yàn)槿斯げ?下的PGA最大，其次為人工波1，最小為人工波2。

2)內(nèi)力。三個(gè)時(shí)程工況下的彎矩、剪力、扭矩和軸力計(jì)算結(jié)果見表6，圖8。

表6 內(nèi)力計(jì)算值

分析表6，圖8可知：

a.三個(gè)時(shí)程計(jì)算工況下的彎矩值最大，且最大值發(fā)生在時(shí)程工況5即人工波3作用時(shí)矮墩承臺(tái)底(見圖9(a))。

b.三個(gè)時(shí)程計(jì)算工況下的墩頂附近主梁截面軸力較大(見圖9(b))，在地震設(shè)計(jì)時(shí)，要適當(dāng)加強(qiáng)墩頂截面軸向抗壓能力。

限于篇幅，下面僅給出三個(gè)時(shí)程計(jì)算工況也即三條人工波下的彎矩隨時(shí)間變化規(guī)律，如圖10所示。

分析圖10可知，三個(gè)時(shí)程計(jì)算工況下彎矩時(shí)程變化趨勢基本保持一致，且整體波形與地震波時(shí)程類似。

4 結(jié)論

1)在縱向+豎向地震、橫向+豎向反應(yīng)譜地震作用下的位移最大值分別為0.304 m和0.381 m，分別為縱向和橫向位移，這是因?yàn)榭v(橫)向地震容易激發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)的縱(橫)向振型。2)在橫向+豎向反應(yīng)譜地震工況下的內(nèi)力值最大，其彎矩、剪力、扭矩和軸力最大值分別為6.34×105kN·m，2.06×104kN，8.89×104kN·m和3.39×104kN。3)三個(gè)時(shí)程計(jì)算工況下的主梁縱向、橫向和豎向位移大體相差不大，這是因?yàn)槿齻€(gè)計(jì)算工況均為三向地震激勵(lì)，且三條水平波PGA相差不大。4)三個(gè)時(shí)程計(jì)算工況下的彎矩值最大，發(fā)生在矮墩承臺(tái)底，而軸力最大值發(fā)生在墩頂附近主梁截面，在地震設(shè)計(jì)時(shí)，要適當(dāng)加強(qiáng)墩頂截面軸向抗壓能力。