连续梁桥地震响应分析

连续梁桥地震响应分析

1桥梁结构及布置在高烈度地震区，三个跨桥的设计截面为（28.5.50）m，桥宽为7.20.5m。荷载标准:公路-Ⅱ级;抗震设防烈度为8度,设计基本地震动峰加速度0.3g,场地类别为Ⅲ类,频谱特征周期为0.35s。桥梁支座采用GPZ(KZ)支座,基础采用灌注桩基础。桥梁总体布置图见图1。2在元模型和动态特征的研究中2.1土弹簧模型模拟根据桥梁结构的总体布置,建立了全桥三维有限元模型。主梁模拟为考虑了剪切变形的三维弹性Timoshenko梁单元,桥墩塑性铰区域模拟为塑性转角弹簧,恢复力模型采用四直线Takeda(武田)模型,如图2。参考《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/TB02-01-2008)(以下简称08细则)第6.3.7条,固定盆式支座用刚度较大的弹簧单元模拟,一般刚度取值为1×108kN/m,活动盆式支座模拟为如图3的双线性理想弹塑性弹簧单元。对于阻尼,结构耗能主要包括2方面,一为支座、墩脚屈服后的滞回环耗能;二为构件材料的粘滞阻尼耗能。前者通过支座及塑性铰的恢复力模型的包围面积能在直接积分过程中较精确地考虑。而对于后者,本次分析采用瑞利阻尼数学模型考虑。C=aM+bKC=aΜ+bΚ式中:a,b为比例系数。使用分层文克尔土弹簧模型模拟桩基础受到的土体影响。将土层分层离散为文克尔弹簧,离散后的等效弹性支承的弹簧刚度K等于弹性支承作用面积A(即单元高度与基础计算宽度的乘积)与地基系数(竖向CO或水平向Cy)的乘积,即K=A×Cy(或CO)。在离散等效弹性支承时,同一土层内可根据精度需要,将其分成若干部分,但在土层分界处,必须分开。将每一个分出的部分看成一个弹性支承,其作用点就在该部分的合力作用点处。据此可得:Ki=Ai×Cyi=Ai×[0.5×mi×(hi−1+hi)]Κi=Ai×Cyi=Ai×[0.5×mi×(hi-1+hi)]依据08细则第6.3.8条,动力计算时,土抗力的取值比静力大,一般取m动=(2～3)m静,考虑到桥梁场地在地震时可能发生局部液化,地基抵抗力会显著降低,所以本文m动取m静的2倍。对于土弹簧的模拟,除了按土质的不同分层外,还应遵循上密下稀的原则,采用此种方法编写土弹簧计算程序得到各个土弹簧的刚度及分布位置。全桥空间有限元模型如图4。2.2全桥振型分析结构的自由振动特性主要是和自身的质量和刚度密切相关,本次分析采用桥梁结构比较适用的集中质量法形成结构的质量矩阵,较精确的得到了全桥的质量矩阵。振型分析采用子空间法,表1列出了大桥的前五阶周期、频率及振型。其中第1阶周期为1.140164s。从振型中可以很明显地看出,为满足升降温、收缩徐变等静力工况需求,该桥支座布置形式为常规支座布置形式,在纵向只设一个固定支座,这样在结构发生振动时,最终固定支座处的固定墩及上部结构共同构成了“一点固定式振动单元”。所以对于该固定墩及墩上的固定支座的地震响应将尤其要注意。3角级数人工拟合地震波根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001)得到水平向反应谱荷载函数如图5,利用三角级数人工拟合地震波如图6,地震激励为顺、横桥向同时输入。时程分析方法采用Newmark非线性直接积分法。因为是弹塑性分析,所以结构的初始内力状态对后续的时程分析影响很大,必须考虑。本次研究中考虑恒载的初始效应。4延长设计4.1等效塑性铰长度lp的概念实际的钢筋混凝土桥墩当弯曲变形接近极限状态时,曲率在某一长度范围基本上保持一定值,分布规律与按弯矩计算得到的结果有差异,所以很多学者对此现象展开了研究,并把曲率基本上保持一定值的这一段长度称为“等效塑性铰长度Lp”,该概念也被很多国家的桥梁抗震规范所采纳,其中我国08细则、加州规范、欧洲规范等均采用了1992年鲍雷提出的Lp的计算公式,该公式考虑了钢筋延伸所引起的应变渗透,Lp=0.08H+0.022fyds=0.08×1130+0.022×335×2.8=111.036cm≥0.044fyds。4.2活动盆式解释模型按照08细则第7.5.2条,在大震作用下,对固定盆式支座、单向活动盆式支座的固定方向的水平剪切力、竖向力进行承载能力抗震验算;对活动盆式支座的活动方向的水平位移进行变形能力的抗震验算,均满足规范要求。但要注意的是图7给出了1#桥台GPZ(KZ)3DX支座在地震荷载下的轴力时程曲线,从图中可以看出,桥台处支座在地震过程中均出现上拔力,所以在桥台处的支座均需设置抗拔拉装置。抗拔拉装置的极限承载能力可参考美国AASHTO规范要求计算。图8给出了变形最大的活动支座的水平剪切力-位移曲线。4.3大塑性转角p对于塑性铰的塑性转动能力,首先根据非线性时程分析结果得到在地震过程中塑性铰发生的最大塑性转角θp,图9为墩底塑性转角在顺桥向地震过程中的弯矩-转角曲线。表2列出了墩底2个方向上的θp和θu,可见墩底在顺桥向进入屈服状态,在横桥向则没有进入屈服状态,且顺桥向的转动能力大于地震荷载产生的最大转角,故满足结构大震不倒塌的性能目标。4.4抗剪设计值的计算对于延性抗震设计的桥梁,墩柱的抗剪、承台、桩基需按照能力保护构件来进行设计。该桥在大震作用下,墩柱底部在顺桥向方向处于塑性阶段工作范围,所以对于桥墩沿顺桥向的抗剪设计值,基础沿顺桥向的弯矩、剪力和轴力设计值应采用能力保护原则来进行计算。而在横桥向墩柱仍处于弹性范围内工作,所以对于桥墩沿横桥向的抗剪设计值,基础沿横桥向的弯矩、剪力和轴力设计值直接由地震响应得到即可。在我国,目前的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)中没有对桥墩的抗剪强度的验算条款,08细则只给出了墩柱塑性铰区域内的斜截面抗剪强度,对于墩柱非塑性铰区域内沿顺桥向和横桥向的斜截面抗剪强度则参考美国加州抗震规范计算。5是否需要拉拔抗拔拉叶片本文通过考虑大震作用下墩柱的非线性特性及活动盆式支座的非线性特性进行了某高烈度地震区连续梁的延性设计。主要结论有:(1)连续梁桥一般顺桥向只设一个固定墩,在罕遇地震作用下,固定墩将承受极大的地震荷载,在设计的时候,若弹性设计不能满足地震需求,可以采取延性设计。(2)一般固定墩上会设置2个横向固定支座,在横向地震力下,因为“框架效应”,2个支座会交替受到拉力和压力,当地震产生的拉力大于恒荷载的压力时,支座出现上拔力,上拔力将对支座的性能产生很大影响甚至导致支座的破坏。我国《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/TB02-01-2008)虽然未对支座出现上拔力时的情况做相应规定,在具体设计时可参考美国AASHTO规范要求,选择专用的抗