中宁黄河大桥抗震性能分析

中宁黄河大桥抗震性能分析

1中宁黄河大桥中宁黄河大桥位于太原至中南海新铁路工程区。地震基本相同。主桥为6.96m双横钢梁桥，引桥为48m预制混凝土简梁桥。下部分结构为圆形桥墩，采用孔桥主基础，基土主要为粗圆砾土。根据《铁路工程抗震设计规范》(GB50111-2006)要求,为体现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准设计思想,对中宁黄河大桥进行多遇地震下的弹性地震反应分析和罕遇地震下的弹塑性地震反应分析.2建立模型的建立弹性地震反应分析采用大型有限元分析程序ANSYS进行,梁、墩均采用空间梁单元beam4模拟.在多跨钢桁梁桥分析中,若各跨的梁、墩尺寸相同或相近,基础和地质条件相近,则通常可选其中几跨进行简化建模分析.本文取四跨主桥和两跨引桥建立模型(如图1所示),以主桥57号墩为例进行分析.模型中采用刚臂单元连接桥墩与钢桁梁.在固定支座处将梁体与桥墩线位移自由度耦合,活动支座处将梁体沿桥横向、竖向的线位移自由度耦合.考虑桩基础和地基对结构的作用,承台底顺桥向和横桥向平动及转动自由度采用弹簧约束,弹簧刚度采用m法计算.顺桥向模型中,固定边墩支座顶施加邻跨梁质量;横桥向模型中,两边墩均施加相应邻跨梁质量的一半.3前几阶振型采用子空间迭代法对中宁黄河大桥进行自振特性分析.表1列出该桥部分模态的自振周期、振型描述,部分振型图示于图2.中宁黄河大桥的前几阶振型以主梁横向振动为主,且呈面外正对称和反对称交替出现的特点.而固定墩顺桥向振型则出现较晚.第1振型对桥墩横桥向振动贡献最大,第10振型对57号墩的顺桥向振动贡献最大.4弹性地震反应分析4.1多遇地震反应谱分析多遇地震下,对该桥进行反应谱和时程反应分析.根据该桥的地震安评报告,桥址处场地特征周期为Tg=0.45s,地面地震动峰值加速度0.021g,加速度反应谱曲线中动力放大系数最大值βm=2.6.反应谱分析中,取前600阶振型,采用SRSS方法组合来分别计算顺桥向及横桥向地震反应.时程分析中,将多遇地震下的3条安评地震波分别沿顺桥向、横桥向输入,采用Newmark-β法进行积分.57号墩内力计算结果列于表2和表3.其中,时程分析所示内力值为3条地震波计算值的平均值.4.2钢筋混凝土桥墩取反应谱和时程计算内力值较大者,乘以重要性系数1.4后进行墩底截面偏心验算,计算结果列于表4.由计算结果可以看出,桥墩的横桥向地震内力不控制设计,但顺桥向桥墩墩底截面合力偏心距不满足规范要求,应设计为钢筋混凝土桥墩.为保证桥墩的延性变形能力,建议配筋率不小于0.5%.按配筋率0.5%验算,混凝土最大压应力7.6MPa,钢筋最大拉应力161.0MPa,均满足规范要求.5土体应力-应变耦合模型根据规范要求,罕遇地震作用下采用的抗震设防目标如下:结构进入弹塑性工作阶段,发生较大的非弹性变形,但应控制在规定的范围内;可能产生较大的破坏,但不出现整体倒塌,经抢修后可限速通车.在强震作用下,一般梁式桥的地震响应基本体现为单墩独立振动的特性.本文采用图3所示单墩模型进行弹塑性抗震分析,墩身截面的滞回曲线采用图4所示武田三线性弯矩-曲率模型,墩顶以上恒载以集中质量的方式施加在墩顶,地基土对桩的作用采用一个转动弹簧模拟.分析过程采用大型有限元分析程序MIDAS进行.根据钢筋和混凝土的应力-应变关系,采用条带法对各桥墩进行全过程分析,得出其M-φ曲线,再由等能量法求出三线性骨架曲线.其中,配筋率为0.5%的57号墩塑性铰区特性列于表5,其M-φ曲线如图5和图6所示.等效塑性铰长度由公式lp=(0.5+0.05HB)Blp=(0.5+0.05ΗB)B计算,其中H为桥墩高度;B为墩底截面的高度.假定曲率沿墩高线性变化,根据桥墩弯矩-曲率曲线计算得各桥墩墩顶力-位移(P-Δ)曲线.其中,57号墩墩顶力-位移关系列于表6.弹塑性地震反应时程分析中输入的地震波为安评报告提供的3条50年超越概率2%的场地地面加速度时程曲线,其最大峰值加速度为5.55m/s2,地震动持时40.96s.将3条地震波分别沿顺桥向和横桥向输入,计算结果取平均值,得57号墩内力和位移最大值列于表7.罕遇地震下,57号墩墩顶位移时程曲线见图7,顺桥向地震下墩底弯矩-塑性铰转角滞回曲线见图8.计算结果表明,罕遇地震顺桥向和横桥向输入下57号墩均进入屈服阶段但未破坏,墩顶位移均小于极限位移,满足规范延性要求.6要完善桥墩配筋设计,确定弹性混凝土桥墩1)多遇地震作用下,57号墩身设计由顺桥向地震弯矩控制,截面偏心验算不满足规范要求,建议