連續(xù)梁橋地震響應(yīng)分析

連續(xù)梁橋地震響應(yīng)分析

1橋梁結(jié)構(gòu)及布置在高烈度地震區(qū)，三個(gè)跨橋的設(shè)計(jì)截面為（28.5.50）m，橋?qū)挒?.20.5m。荷載標(biāo)準(zhǔn):公路-Ⅱ級(jí);抗震設(shè)防烈度為8度,設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)峰加速度0.3g,場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi),頻譜特征周期為0.35s。橋梁支座采用GPZ(KZ)支座,基礎(chǔ)采用灌注樁基礎(chǔ)。橋梁總體布置圖見(jiàn)圖1。2在元模型和動(dòng)態(tài)特征的研究中2.1土彈簧模型模擬根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的總體布置,建立了全橋三維有限元模型。主梁模擬為考慮了剪切變形的三維彈性Timoshenko梁?jiǎn)卧?橋墩塑性鉸區(qū)域模擬為塑性轉(zhuǎn)角彈簧,恢復(fù)力模型采用四直線(xiàn)Takeda(武田)模型,如圖2。參考《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/TB02-01-2008)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)08細(xì)則)第6.3.7條,固定盆式支座用剛度較大的彈簧單元模擬,一般剛度取值為1×108kN/m,活動(dòng)盆式支座模擬為如圖3的雙線(xiàn)性理想彈塑性彈簧單元。對(duì)于阻尼,結(jié)構(gòu)耗能主要包括2方面,一為支座、墩腳屈服后的滯回環(huán)耗能;二為構(gòu)件材料的粘滯阻尼耗能。前者通過(guò)支座及塑性鉸的恢復(fù)力模型的包圍面積能在直接積分過(guò)程中較精確地考慮。而對(duì)于后者,本次分析采用瑞利阻尼數(shù)學(xué)模型考慮。C=aM+bKC=aΜ+bΚ式中:a,b為比例系數(shù)。使用分層文克爾土彈簧模型模擬樁基礎(chǔ)受到的土體影響。將土層分層離散為文克爾彈簧,離散后的等效彈性支承的彈簧剛度K等于彈性支承作用面積A(即單元高度與基礎(chǔ)計(jì)算寬度的乘積)與地基系數(shù)(豎向CO或水平向Cy)的乘積,即K=A×Cy(或CO)。在離散等效彈性支承時(shí),同一土層內(nèi)可根據(jù)精度需要,將其分成若干部分,但在土層分界處,必須分開(kāi)。將每一個(gè)分出的部分看成一個(gè)彈性支承,其作用點(diǎn)就在該部分的合力作用點(diǎn)處。據(jù)此可得:Ki=Ai×Cyi=Ai×[0.5×mi×(hi?1+hi)]Κi=Ai×Cyi=Ai×[0.5×mi×(hi-1+hi)]依據(jù)08細(xì)則第6.3.8條,動(dòng)力計(jì)算時(shí),土抗力的取值比靜力大,一般取m動(dòng)=(2～3)m靜,考慮到橋梁場(chǎng)地在地震時(shí)可能發(fā)生局部液化,地基抵抗力會(huì)顯著降低,所以本文m動(dòng)取m靜的2倍。對(duì)于土彈簧的模擬,除了按土質(zhì)的不同分層外,還應(yīng)遵循上密下稀的原則,采用此種方法編寫(xiě)土彈簧計(jì)算程序得到各個(gè)土彈簧的剛度及分布位置。全橋空間有限元模型如圖4。2.2全橋振型分析結(jié)構(gòu)的自由振動(dòng)特性主要是和自身的質(zhì)量和剛度密切相關(guān),本次分析采用橋梁結(jié)構(gòu)比較適用的集中質(zhì)量法形成結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣,較精確的得到了全橋的質(zhì)量矩陣。振型分析采用子空間法,表1列出了大橋的前五階周期、頻率及振型。其中第1階周期為1.140164s。從振型中可以很明顯地看出,為滿(mǎn)足升降溫、收縮徐變等靜力工況需求,該橋支座布置形式為常規(guī)支座布置形式,在縱向只設(shè)一個(gè)固定支座,這樣在結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)時(shí),最終固定支座處的固定墩及上部結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成了“一點(diǎn)固定式振動(dòng)單元”。所以對(duì)于該固定墩及墩上的固定支座的地震響應(yīng)將尤其要注意。3角級(jí)數(shù)人工擬合地震波根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2001)得到水平向反應(yīng)譜荷載函數(shù)如圖5,利用三角級(jí)數(shù)人工擬合地震波如圖6,地震激勵(lì)為順、橫橋向同時(shí)輸入。時(shí)程分析方法采用Newmark非線(xiàn)性直接積分法。因?yàn)槭菑椝苄苑治?所以結(jié)構(gòu)的初始內(nèi)力狀態(tài)對(duì)后續(xù)的時(shí)程分析影響很大,必須考慮。本次研究中考慮恒載的初始效應(yīng)。4延長(zhǎng)設(shè)計(jì)4.1等效塑性鉸長(zhǎng)度lp的概念實(shí)際的鋼筋混凝土橋墩當(dāng)彎曲變形接近極限狀態(tài)時(shí),曲率在某一長(zhǎng)度范圍基本上保持一定值,分布規(guī)律與按彎矩計(jì)算得到的結(jié)果有差異,所以很多學(xué)者對(duì)此現(xiàn)象展開(kāi)了研究,并把曲率基本上保持一定值的這一段長(zhǎng)度稱(chēng)為“等效塑性鉸長(zhǎng)度Lp”,該概念也被很多國(guó)家的橋梁抗震規(guī)范所采納,其中我國(guó)08細(xì)則、加州規(guī)范、歐洲規(guī)范等均采用了1992年鮑雷提出的Lp的計(jì)算公式,該公式考慮了鋼筋延伸所引起的應(yīng)變滲透,Lp=0.08H+0.022fyds=0.08×1130+0.022×335×2.8=111.036cm≥0.044fyds。4.2活動(dòng)盆式解釋模型按照08細(xì)則第7.5.2條,在大震作用下,對(duì)固定盆式支座、單向活動(dòng)盆式支座的固定方向的水平剪切力、豎向力進(jìn)行承載能力抗震驗(yàn)算;對(duì)活動(dòng)盆式支座的活動(dòng)方向的水平位移進(jìn)行變形能力的抗震驗(yàn)算,均滿(mǎn)足規(guī)范要求。但要注意的是圖7給出了1#橋臺(tái)GPZ(KZ)3DX支座在地震荷載下的軸力時(shí)程曲線(xiàn),從圖中可以看出,橋臺(tái)處支座在地震過(guò)程中均出現(xiàn)上拔力,所以在橋臺(tái)處的支座均需設(shè)置抗拔拉裝置?？拱卫b置的極限承載能力可參考美國(guó)AASHTO規(guī)范要求計(jì)算。圖8給出了變形最大的活動(dòng)支座的水平剪切力-位移曲線(xiàn)。4.3大塑性轉(zhuǎn)角p對(duì)于塑性鉸的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力,首先根據(jù)非線(xiàn)性時(shí)程分析結(jié)果得到在地震過(guò)程中塑性鉸發(fā)生的最大塑性轉(zhuǎn)角θp,圖9為墩底塑性轉(zhuǎn)角在順橋向地震過(guò)程中的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)。表2列出了墩底2個(gè)方向上的θp和θu,可見(jiàn)墩底在順橋向進(jìn)入屈服狀態(tài),在橫橋向則沒(méi)有進(jìn)入屈服狀態(tài),且順橋向的轉(zhuǎn)動(dòng)能力大于地震荷載產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)角,故滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)大震不倒塌的性能目標(biāo)。4.4抗剪設(shè)計(jì)值的計(jì)算對(duì)于延性抗震設(shè)計(jì)的橋梁,墩柱的抗剪、承臺(tái)、樁基需按照能力保護(hù)構(gòu)件來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。該橋在大震作用下,墩柱底部在順橋向方向處于塑性階段工作范圍,所以對(duì)于橋墩沿順橋向的抗剪設(shè)計(jì)值,基礎(chǔ)沿順橋向的彎矩、剪力和軸力設(shè)計(jì)值應(yīng)采用能力保護(hù)原則來(lái)進(jìn)行計(jì)算。而在橫橋向墩柱仍處于彈性范圍內(nèi)工作,所以對(duì)于橋墩沿橫橋向的抗剪設(shè)計(jì)值,基礎(chǔ)沿橫橋向的彎矩、剪力和軸力設(shè)計(jì)值直接由地震響應(yīng)得到即可。在我國(guó),目前的《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD62-2004)中沒(méi)有對(duì)橋墩的抗剪強(qiáng)度的驗(yàn)算條款,08細(xì)則只給出了墩柱塑性鉸區(qū)域內(nèi)的斜截面抗剪強(qiáng)度,對(duì)于墩柱非塑性鉸區(qū)域內(nèi)沿順橋向和橫橋向的斜截面抗剪強(qiáng)度則參考美國(guó)加州抗震規(guī)范計(jì)算。5是否需要拉拔抗拔拉葉片本文通過(guò)考慮大震作用下墩柱的非線(xiàn)性特性及活動(dòng)盆式支座的非線(xiàn)性特性進(jìn)行了某高烈度地震區(qū)連續(xù)梁的延性設(shè)計(jì)。主要結(jié)論有:(1)連續(xù)梁橋一般順橋向只設(shè)一個(gè)固定墩,在罕遇地震作用下,固定墩將承受極大的地震荷載,在設(shè)計(jì)的時(shí)候,若彈性設(shè)計(jì)不能滿(mǎn)足地震需求,可以采取延性設(shè)計(jì)。(2)一般固定墩上會(huì)設(shè)置2個(gè)橫向固定支座,在橫向地震力下,因?yàn)椤翱蚣苄?yīng)”,2個(gè)支座會(huì)交替受到拉力和壓力,當(dāng)?shù)卣甬a(chǎn)生的拉力大于恒荷載的壓力時(shí),支座出現(xiàn)上拔力,上拔力將對(duì)支座的性能產(chǎn)生很大影響甚至導(dǎo)致支座的破壞。我國(guó)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/TB02-01-2008)雖然未對(duì)支座出現(xiàn)上拔力時(shí)的情況做相應(yīng)規(guī)定,在具體設(shè)計(jì)時(shí)可參考美國(guó)AASHTO規(guī)范要求,選擇專(zhuān)用的抗