变截面连续梁桥抗震性能评估

变截面连续梁桥抗震性能评估

武 明

(上海城兴市政工程设计有限公司 上海市 200000)

摘 要： 为了探讨变截面连续梁桥的抗震性能,以上海地区张泾河大桥为背景工程,采用SAP2000建立了桥梁结构的三维空间动力分析模型,分别输入E1和E2两个水准人工地震波各7条进行时程响应分析,然后基于能力/需求比对桥梁结构的抗震性能进行了评估,结果显示关键构件在两水准地震下的均满足抗震安全要求,其中,在E1地震下的抗震能力富余量普遍较大,而在E2地震下较低,尤其是2#固定墩,说明固定墩是连续梁桥的抗震薄弱环节。

关键词： 连续梁桥；能力/需求；抗震；时程分析

0 引言

变截面连续梁桥具有跨越能力强、行车舒适性好、力学行为明确简洁、施工方便等众多优点,在高速公路和市政桥梁中得到了广泛使用。我国是世界上地震灾害最严重的国家之一,近十几年已连续发生了汶川、玉树、雅安等大地震,给交通基础设施带来了巨大的破坏,其中不乏变截面连续梁桥[1]。从结构上说,连续梁桥一般在每联中只设置一个固定支座,其余墩上均设置活动支座,这种支座设置方式对桥梁的抗震不利[2-3]。在地震作用下,由于固定墩的存在,使得各桥墩地震力分配严重不均,固定墩承受大部分上部结构的惯性力,导致固定墩发生屈服,甚至破坏,进而引起桥梁失效。许多学者[4-6]对连续梁桥的抗震问题进行了研究,发现对连续梁桥,尤其是高烈度区的连续梁桥,有必要进行细致的抗震性能评估,必要时采取合理、有效的抗震措施对固定墩进行减震设计。

本文以上海地区张泾河大桥为背景工程,采用SAP2000有限元软件建立桥梁动力分析模型,按照非线性时程分析法,输入两个水准下共计14条地震波进行桥梁结构的动力响应分析,提取关键构件的关键截面响应,最后基于能力/需求法对张泾河大桥的抗震性能进行评估,以期为工程建设提供技术参考。

1 工程概况

如图1、图2所示,张泾河大桥跨径布置为(45+70+45)m,采用变截面预应力混凝土连续单箱双室箱梁,梁底按二次抛物线线型变化,为三向预应力混凝土结构。主梁双幅顶宽38.10m,顶板设2%的双向横坡,中心线梁高2.20～4.20m,墩顶处顶板厚0.48m,腹板厚0.65m,底板厚0.60m；跨中顶板厚0.28m,腹板厚0.50m,底板厚0.30m。桥墩采用实腹式矩形截面2.20×2.20m,两墩之间设横系梁,横系梁截面为1.50×1.50m,长度为4.00m。桩基采用对周围环境影响小、抗震能力强、单桩轴向受压承载力高的Ф1000mm钻孔灌注桩。上部结构采用C50混凝土,下部结构采用C40混凝土,桩基础采用C30水下混凝土。

图1 张泾河大桥立面布置图(单位：cm)

图2 张泾河大桥横断面布置图(单位：cm)

2 分析模型与条件

2.1 有限元建模

有限元模型以顺桥向为X轴,横桥向为Y轴,竖向为Z轴。主梁和桥墩均离散为空间梁单元,其中主梁采用单梁式力学模型。承台模拟为质点,并且承台、桩基顶部节点采用主从连接。桩基础采用集中土弹簧模型模拟。为了考虑边界条件的影响,主桥的左右两边各建一联引桥,全桥动力有限元模型如图3所示。

2.2 地震动输入

图3 三维有限元模型

采用人工合成的方式按照地震设计反应谱E1和E2地震分别生成7条地震波,图4分别给出了E1和E2地震典型的时程波曲线。图5为人工波对应的反应谱与设计反应谱的对比,由图可知匹配良好。地震的激励方向采用纵向+竖向和横向+竖向两种方式。

3 抗震性能评估

3.1 动力特性

采用Ritz向量法分析桥梁结构前200阶振型,其中前10阶周期如表1所示。由表可知,张泾河大桥的第一阶振型为主梁的纵向振动,周期为1.11s；第二振型为主梁的横向振动,周期为0.80s；主梁的竖向振动没有出现在前10阶振型之内。

图4 典型时程波曲线

图5 时程波与反应谱的匹配

表1 桥梁结构动力特性

振型阶数自振周期频率SecCyc/sec振型特征11.1100.90主梁纵飘20.8001.25主梁横摆30.7321.37南芦侧引桥一阶横弯40.6341.58金石侧引桥一阶横弯50.6271.59南芦侧引桥二阶横弯60.5171.93金石侧引桥二阶横弯70.4342.30主梁二阶横弯80.4102.44南芦侧过渡墩纵飘90.3632.75主梁三阶横弯100.3622.76金石侧过渡墩纵飘

3.2 关键构件抗震性能评估

关键构件截面轴力—弯矩—曲率分析是确定构件临界截面抗弯能力和曲率延性能力的基本分析工具。通过截面轴力—弯矩—曲率分析,可以从理论上确定构件塑性铰区截面的各种等效抗弯能力和曲率延性系数。按照纤维单元法对钢筋混凝土截面根据需求划分为纤维单元束,而单根钢筋则作为一个纤维单元。对纤维截面进行分析可以得到关键构件在E1和E2地震下的等效抗弯能力和极限抗弯能力。由于2#固定墩在地震作用下的内力响应最大,因此本文重点研究2#墩墩底截面,其余墩则直接给出评估结果。图6、图7为2#固定墩墩底截面在E2地震作用下的纵、横桥向的剪力和弯矩时程。由图可知,2#固定墩墩底截面在E2纵桥向地震输入会产生远高于横桥向的弯矩,其原因在于张泾河大桥各个墩在横桥向都是固定的,每个墩都参与分担主梁的横向惯性力,这与纵桥向完全由2#固定墩承受不同。

图6 E2地震下2#固定墩墩底截面剪力时程

图7 E2地震下2#固定墩墩底截面弯矩时程

表2 纵桥向地震输入下关键构件抗弯验算

位置地震水平验算轴力kN弯矩需求(kN·m)抗弯能力(kN·m)能力/需求比验算1#墩E1地震6078.31551.011810.07.61通过E2地震4607.05243.411290.02.15通过2#墩E1地震21933.112566.543080.03.43通过E2地震18774.142746.643210.01.01通过3#墩E1地震21982.6869.543100.049.57通过E2地震18795.52927.443220.014.76通过4#墩E1地震6413.22239.711960.05.34通过E2地震5041.57427.712430.01.67通过

表3 横桥向地震输入下关键构件抗弯验算

位置地震水平验算轴力kN弯矩需求(kN·m)抗弯能力(kN·m)能力/需求比验算1#墩E1地震5134.42818.211380.04.04通过E2地震1440.48976.911350.01.26通过2#墩E1地震19625.85237.341550.07.93通过E2地震11304.317454.439580.02.27通过3#墩E1地震19502.95156.041470.08.04通过E2地震10523.617708.739130.02.21通过4#墩E1地震5399.13206.211500.03.59通过E2地震1520.310820.611380.01.05通过

表4 纵桥向地震输入下关键构件抗剪验算

位置地震水平剪力需求(kN)抗剪能力(kN)能力/需求比验算1#墩E1地震335.38988029.46通过E2地震1128.5198808.76通过2#墩E1地震2670.09147595.53通过E2地震8909.67147591.66通过3#墩E1地震240.431475961.39通过E2地震809.521475918.23通过4#墩E1地震306.88988032.20通过E2地震1013.5198809.75通过

张泾河大桥关键构件关键截面在两个水准地震知,张泾河大桥在E1地震作用下的抗震能力富余输入下的抗震性能评估如表2～表5所示。由表可量普遍较大,尤其是抗剪能力；在E2地震作用下的抗震能力尽管满足规范要求,但富余量很低,尤其是2#固定墩,2#墩墩底截面抗弯能力/需求在E2纵桥向地震输入下仅为1.01,即刚刚通过抗震验算。由此可见,连续梁桥的固定墩是抗震的薄弱环节,这与现有研究结论[5-6]是一致的。

表5 横桥向地震输入下关键构件抗剪验算

位置地震水平剪力需求(kN)抗剪能力(kN)能力/需求比验算1#墩E1地震1146.6498808.62通过E2地震3541.6398802.79通过2#墩E1地震2657.97147595.55通过E2地震8627.78147591.71通过3#墩E1地震2200.36147596.71通过E2地震7442.97147591.98通过4#墩E1地震807.74988012.23通过E2地震2686.1998803.68通过

4 结论

本文以上海地区张泾河大桥为背景工程,采用SAP2000有限元软件建立了桥梁结构的三维空间动力分析模型,分别输入E1和E2两个水准人工地震波各7条进行时程响应分析,然后基于能力/需求比法对桥梁结构关键构件关键截面的抗震性能进行了评估,主要结论有：

(1)张泾河大桥纵桥向的基本振型为主梁的纵飘,周期为1.11s；横桥向基本振型为主梁的横向摆动,周期为0.80s；竖向基本振型出现在前10阶振型以外。

(2)由于纵桥向仅有2#墩一个固定墩,横桥向每个墩都是固定墩,因此在地震作用下2#固定墩墩底截面纵桥向内力响应远高于横桥向。

(3)能力/需求比结果显示,张泾河大桥关键构件关键截面在两水准地震下的抗震性能满足规范要求,其中,在E1地震下的抗震能力富余量普遍较大,尤其是抗剪能力；在E2地震下的抗震能力富余量很低,尤其是2#固定墩,说明固定墩是连续梁桥的抗震薄弱环节。

参考文献

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Seismic Performance Evaluation of ContinuousBridge with Nonprismatic Superstructure

WU Ming

(Shanghai Chengxing Municipal Engineering Design Co. Ltd., Shanghai 200000, China)

Abstract In order to investigate the seismic performance of continuous bridges with nonprismatic superstructure, in the background of the Zhangjing River Bridge located in Shanghai, the software SAP2000 was used to establish a 3D dynamically analytical model for the bridge. Time history analyses were conducted using 7 sets of artificial ground motions for earthquake levels of E1 and E2 respectively. The seismic performance of the bridge was evaluated based on the capacity/demand method. The results showed that the critical components of the bridge satisfy the requirements imposed by the code for two levels of ground motions. It can be seen that the safety margin of the bridge is large in ground motion level of E1, and is very small in ground motion level of E2, especially for the 2# fixed pier, indicating that the fixed pier is the weakest component of continuous bridges.

Key words Continuous bridge；Capacity/demand；Seismic；Time history analysis

文章编号： 1673-6052(2017)11-0020-05

DOI：10.15996/j.cnki.bfjt.2017.11.006

中图分类号： U442.5+5

文献标识码： A