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预应力混凝土连续刚构桥地震反应分析.pdf
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1、 四川建筑科学研究 第 卷第 期 年 月 收稿日期: 作者简介: 张敏( ) , 女, 工程师, 主要从事桥梁、 高速公路等 的勘察设计。 : 预应力混凝土连续刚构桥地震反应分析 张敏, 张明金, 林天源 ( 湖北省交通规划设计院, 湖北 武汉 ; 西南交通大学土木工程学院, 四川 成都 ; 武汉市交通基本建设工程质量监督站, 湖北 武汉 ) 摘要: 在总结连续刚构桥抗震设计研究现状的基础上, 运用地震反应分析的基本理论, 以某刚构桥为工程背景, 对连续刚构桥进行了空间地震反应谱分析和地震反应时程分析。主要研究了桩 土相互作用对桥梁地震反应的影 响; 同时对反应谱分析与时程响应分析的计算结果进
2、行分析; 本文对连续刚构桥的地震反应分析得到的有关结论, 可为连续刚构桥梁的抗震设计提供参考。 关键词: 连续刚构桥梁; 抗震; 桩 土相互作用 中图分类号: 文献标志码: 文章编号: ( ) , , ( , , ; , , , ; , , ) : , ; , , : ; ; 概况 结构地震反应分析分为两种, 一种是以地震运 动为确定过程的确定性地震反应分析; 另一种是以 地震运动为随机过程的概率性地震反应分析。结构 在地震波激励下的强迫震动是随机振动, 求解结构 地震反应是相当复杂的。在桥梁抗震计算中早期采 用简化的静力法, 世纪 年代后发展了动力法 的反应谱理论, 近 年来对重要结构物采用
3、动力法 的动态时程分析法 。 高桥墩一般采用柔性薄壁墩, 利用其柔性以适 用各种外力所引起的纵向位移。大跨度连续刚构桥 将连续梁体与桥墩固结, 提高了结构的整体性, 有利 于结构抗震。因此, 大跨度连续刚构桥受到了桥梁 工程师的青睐。另一方面, 与这种大跨度发展势头 不相适应的是, 大跨度连续刚构桥的抗震设计目前 依然比较困难。因为现有的抗震设计规范只适用于 主跨不超过 的混凝土梁桥( 主要是简支梁、 连续梁) 和拱桥。大跨度连续刚构桥的抗震设计目 前还没有一个统一标准。与中等跨径普通桥梁相 比, 大跨度连续刚构桥的地震反应比较复杂, 相应 地, 抗震设计也比较复杂。如高阶振型的影响比较 明显
4、, 以及需要考虑多点激振和行波效应、 各种复杂 的非线性因素、 桩 土 结构相互作用等。因此, 大跨 度连续刚构桥抗震分析就显得非常重要 。 本论文以某主跨 连续刚构桥为研究背 景, 按照设计地震烈度对其进行地震反应谱分析和 地震时程分析, 讨论大跨度连续刚构桥在考虑桩 土 相互作用的影响和响应特性; 用 有限元软件 对其进行反应谱分析和地震时程分析并将计算得到 的响应值进行差异比较, 根据地震反应分析结果, 对 连续刚构桥的抗震设计提出有益的建议。 地震反应分析方法 反应谱理论的地震力计算 对结构抗震计算来说, 最关心的是地震力的最 大值。上述单质点体系, 最大地震力的计算式为: () ()
5、 式中 为标准自由落体加速度; 为体系的总重 量; 定义为水平地震系数;定义为动力放大系 数, 。 在实际应用中, 要解决以下若干问题。 ) 水平地震系数的取值, 应根据结构抗震设防 的烈度水准选用。根据我国 公路工程抗震设计细 则 规定: 设计烈度相应于 、 和 度, 分别为 、 和 。 ) 谱曲线如何确定。结构物所处的场地土 特性是不相同的, 因而规范在制定标准 反应谱时, 必需根据场地土分类, 分析相应于场地土分类的平 均 反应谱的规律( 在三坐标反应谱上可清楚分 辨) , 作出它们的平均或外包的谱曲线。我国 公路 工程抗震设计细则 所采用的标准 谱曲线, 分四类 场地土, 如图 所示
6、。 图 动力放大系数 动态时程分析方法 世纪 年代后, 重要的建筑物、 大跨桥梁和 其他特殊结构物采用多节点多自由度的结构有限元 动力计算图式, 把地震强迫振动的激振 地震加速度 时程直接输入, 对结构进行地震时程反应分析, 这通 称为动态时程分析。动态时程分析法从选定的地震 动输入( 地震动加速度时程) 出发, 采用多节点多自 由度的结构有限元动力计算模型建立地震动方程, 采用逐步积分法对方程进行求解, 计算地震过程中 每一瞬时结构的位移、 速度和加速度反应 。 结构地震反应的时程分析法, 是将地震波作为 地震输入, 水平的地面运动加速度波形表示水平地 震输入, 竖向地面运动加速度波形表示竖
7、向地震输 入, 然后通过运动方程的积分求出地震持续时间内 结构的内力和变形随时间的变化过程。下面, 以水 平加速度波形作用下的单自由度体系为例予以说 明。 图 单自由度体系 图 表示某单自由度体系, 底部受有水平地面 运动加速度 ( ) , 质点 在任意时刻 的运动方程 为: ( ) ( ) 式中 质量; 阻尼系数; 阻尼力; 、 、 相对于地面的位移、 速度和加速度; ( ) 质点在位移 时所受的恢复力。 动态时程分析法可以精确地考虑结构、 土和深 基础相互作用、 地震波相位差及不同地震波多分量 多点输入等因素建立结构动力计算图式和相应地震 振动方程。同时, 考虑结构几何和物理非线性和各 种
8、减、 隔震装置非线性性质( 如桥梁特制橡胶支座、 特种阻尼装置等) 的非线性地震反应分析则更趋成 熟与完善。 有限元模型的建立 结构的有限元模型是进行结构静、 动力分析时 所采用的能够反映结构的力学性能和构造特点的计 算图式。 梁单元 为两节点三维梁单元, 每个 节点包含 个自由度, 即 个平动自由度和 个转 动自由度。单元两端截面可以不相等, 可以输出单 元中间点的内力和横截面内用户指定点的应力、 支 持大挠度、 应力刚化和单元的生死。根据连续刚构 桥的材料及结构特征, 以及所要研究的对象, 本文在 张敏, 等: 预应力混凝土连续刚构桥地震反应分析 计算模型中将主梁和桥墩、 桩选取 梁单 元
9、进行模拟; 桩 土相互作用则采用 弹 簧 阻尼单元模拟; 附加质量采用 单元进行 模拟; 二期恒载主要包括桥面铺装、 隔离带、 人行道、 栏杆等, 根据二期恒载单位长度重量将其转化为梁 体的等效线密度。有限元模型见图 图 。 图 结构有限元模型 图 结构有限元模型 考虑桩 土的影响, 桥墩墩底与承台连接, 承台 与桩基础相连, 桩基础用弹性连接; 交界墩处( 主梁 最边端) , 主梁竖向、 横向和扭转自由度约束, 其他 自由度放松。 分析结果 根据类似桥梁, 确定关键截面如图 所示。 图 关键截面示意 反应谱分析结果 表 为全桥考虑桩土相互作用后的自振频率, 图 分别为结构前 阶模态图。在反应
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