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由于地震灾害强大的破坏力以及桥梁跨度、桥墩高度的不断增大,桥梁的抗震性能成为了设计及施工过程中必须考虑的问题。本文阐述了地震响应的理论分析方法,并以某一高墩大跨度连续刚构桥梁(跨径布置为75m+140m+140m+75m=430m)为工程背景,采用空间有限元分析软件,建立全桥的动力分析模型,分析了该桥的周期、频率及振动模态;采用反应谱法分析了全桥在纵向、横向和竖向等多向地震作用下结构的响应;同时以墩高为参数,分析不同墩高对连续刚构桥的地震响应的影响,为高墩大跨度连续刚构桥的抗震设计提供参考依据。
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高墩大跨度连续刚构桥地震响应分析 
2015-12-09 10:44:24 来源: 作者:阳 东 【 】 浏览:0次 评论:0

摘要:由于地震灾害强大的破坏力以及桥梁跨度、桥墩高度的不断增大,桥梁的抗震性能成为了设计及施工过程中必须考虑的问题。本文阐述了地震响应的理论分析方法,并以某一高墩大跨度连续刚构桥梁(跨径布置为75m+140m+140m+75m=430m)为工程背景,采用空间有限元分析软件,建立全桥的动力分析模型,分析了该桥的周期、频率及振动模态;采用反应谱法分析了全桥在纵向、横向和竖向等多向地震作用下结构的响应;同时以墩高为参数,分析不同墩高对连续刚构桥的地震响应的影响,为高墩大跨度连续刚构桥的抗震设计提供参考依据。 

 

关键词:刚构桥  高墩  动力特性  地震响应 

 

高墩大跨度连续刚构桥地震响应研究现状 

 

地震爆发时,破坏跨越河流、湖泊或沟壑的桥梁工程,导致通往灾区的道路被阻断,给救灾工作造成巨大困难。由于地震灾害强大的破坏力以及高墩大跨度连续刚构桥的大量建设,连续刚构桥的抗震性能成为了设计及施工过程中必须考虑的问题。故针对高墩、大跨度连续刚构桥结构的安全性及地震危险性评估进行研究,以进行合理有效的抗震设防设计,为该类桥梁的抗震设计提供经验支持[1][2][3][4]。 

 

本文阐述了高墩大跨径连续刚构桥梁的地震响应的分析方法—反应谱法,结合空间有限元分析方法,按照公路桥梁抗震设计细则[5]的规定,分析最大墩高为97.5m、跨径布置为75m+140m+140m+75m的四跨连续刚构桥的动力特性,得到了在纵向、横向、竖向及三向这四种地震动输入下桥墩的墩底弯矩及主梁跨中的纵向、横向及竖向位移。 

 

地震响应分析方法 

 

2.1  静力法 

 

日本大房森吉采用静力法精确计算地震作用于结构的响应,如式(1)所示: 

 

图片1.png

式中,为结构重量,为地面运动加速度峰值与重力加速度 的比值,静力法忽略了结构本身的动力特性。 

 

2.2反应谱法 

 

Huosner等学者提出了一种基于反应谱理论的建筑结构抗震分析方法,通过单自由度振子体系的振动方程,经推导得出单质点振子地震相对位移的积分公式: 

 

图片2.png

其中图片3.png分别为地震加速度、阻尼比、无阻尼圆频率、有阻尼圆频率。 根据式 (2) 可以得到在不同地震加速度图片4.png条件下的最大相对位移曲线。  

 

工程实例 

 

3.1模型的建立 

 

本文针对最大墩高为 97.5m、主跨跨径为 140m的四跨连续刚构桥进行动力特性分析和反应谱分析,如图 所示。2#桥墩最高,墩长为 97.5m1#2#墩长分别为 53.5m64m。采用 Midas Civil 2013建立空间有限元的动力分析模型,如图 2所示。全桥共 179 个单元,22 个截面,主梁、桥墩均采用梁单元模拟。桥墩与主梁采用刚性连接模拟,桥梁端部均采用约束竖向及横桥向线位移模拟。 

 

为分析桥墩高度对大跨径连续刚构桥动力特性及地震响应的影响,故依据实桥分别建立如下三种墩高模型(其中1#3#桥墩分别为53.5m64m,墩高不变) :  

 

A2#桥墩墩高77.5mB2#桥墩墩高97.5mC2#桥墩墩高117.5m; 

 

图片5.png

图片6.png

 

  图2  全桥动力分析有限元模型 

 

3.3反应谱分析 

 

本文采用《公路桥梁抗震设计细则》 (JTG/T B02-01-2008[5]中规定的水平和竖向加速度反应谱,其中根据桥址条件确定阻尼比为0.05,场地类型为Ⅱ级,桥梁的抗震设防烈度为度。本文对模型AB分别进行反应谱分析,地震输入采用纵向、横向、竖向三个方向分别单独输入和三向输入这四种工况进行模拟,连续刚构桥 2#墩墩底弯矩及跨中位移,模型AB的纵桥向及横桥向位移如下图3.4 所示。 

 

在 E1地震荷载作用下, 模型 B2#墩墩底弯矩为在横向地震作用下时横桥向弯矩最大,为131401 kN·m,主梁跨中位移最大为36.1mm。随着2#墩墩高的增大,主梁跨中位移逐渐增大,而墩底弯矩先减小后增大,故抗震设计中应依据实际地形选择最佳的桥墩位置及其墩高,以防止地震的破坏。在单向地震荷载作用下 2#桥墩的纵桥向位移如下图3~5所示。 

 

图片7.png

由图 33~3.5 可知,在纵向、横向、竖向及三向地震作用下,随着桥墩的高度越高,连续刚构桥的刚度越小,桥墩等高程位置处的相对位移越大。相对模型A,在纵向地震作用下,模型 B桥墩顶部的纵桥向位移增大 14%,模型 C中的纵桥向位移增大了 23%;横桥向地震作用下,模型 桥墩顶部的横桥向位移增大 26%,模型 C中的纵桥向位移增大了43%。竖向地震作用下,模型ABC中墩身中部纵桥向位移受墩高影响较大,但桥墩的纵桥向位移均较小。三向地震作用下桥墩产生的横桥向位移最大。 

 

结 论 

 

本文以某一四跨连续刚构桥为工程实例,采用空间有限元软件 Midas Civil 2013进行了动力特性和反应谱分析,结论如下: 

 

(1)文中分析了三种桥墩高度下高墩大跨度连续刚构桥的动力特性,给出了实桥的前六阶振动模态:跨径布置不变式,桥墩越高,结构整体刚度越小,自振频率随之减小。 

 

(2)采用反应谱法分析了高墩大跨度连续刚构桥在 E1 地震作用和 E2 地震作用下桥墩墩底的纵桥向弯矩、横桥向弯矩、扭矩以及主梁跨中的纵向、横向及竖向位移。在进行抗震设计中,应关注桥墩横向抗力设计;在单向地震作用下,桥墩高度越高,连续刚构桥的刚度越小,桥墩等高程位置处的相对位移越大。 

 

参考文献 

 

[1]  范立础,胡世德,叶爱君.大跨度桥梁抗震设计.北京:人民交通出版社,2001.1~35. 

 

[2]  谢旭.桥梁结构地震响应分析与抗震设计[M].  北京:人民交通出版社,2005. 

 

[3]余玲玲,王解军.高墩大跨连续刚构桥的动力性能及地震反应分析[J].公路工程,200833(1):36~38. 

 

[4]  夏志华.大跨径连续刚构桥空间地震反应分析[D].成都:西南交通大学硕士论文,2003. 

 

[5]  公路桥梁抗震设计细则(JTG/T B02-012008) [M].  北京:人民交通出版社

 

Tags:刚构桥 高墩 动力特性 地震响应 责任编辑:admin
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