支座对连续梁桥地震反应的影响分析

朱 彤 刘文会

(吉林建筑大学交通科学与工程学院,长春 130118)

0 引言

桥梁抗震是一个动力学问题,是研究地震时地面运动对结构物产生的动态效应,计算结构在地震作用的响应,从而为桥梁的抗震设计提供依据.桥梁抗震分析理论主要经历了三个阶段,从早期的静力法到上世纪50年代后的反应谱法,和最近20年来被大家普遍所接受的动力时程分析法,这三种方法是近一个世纪以来逐步发展并建立起来的确定性地震分析方法[1].

1 时程分析法

动态时程分析法从选定合适的地震输入(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振动方程,然后采用逐步积分的方法进行计算,得到结构地震响应的时间历程,得出结构在地震作用下某一时刻的位移,速度和加速度反应,从而可以分析出结构构件在弹性和非弹性阶段的内力变化,以及屈服、损坏、甚至倒塌的全过程,其计算过程复杂繁琐,需要借助计算程序完成.其求解步骤如下[2]:

(1) 将振动时程分为一系列相等或不相等的微小时间间隔Δt;

(2) 假定在Δt时间间隔内,位移、速度和加速度按一定规律变化(常加速度、线性加速度、Newmark法或Wilson-θ法等);

(3) 求解t+Δt时刻结构的地震反应;

(4) 对一系列时间间隔按上述步骤逐步进行积分,直到完成整个振动过程.

2 工程实例

2.1 建模

以长春两纵两横工程中的某高架桥为例进行分析,桥型如图1.该桥采用抗震设防烈度为7°[3],峰值加速度为0.10 g,依据抗震规范和本桥梁的实际情况,有关参数取值如下:重要性系数Ci=0.5;场地系数Cs=1.3;阻尼调整系数Cd=1.0;特征周期Tg=0.45 g;结构的阻尼比为0.05.支座刚度按文献3确定.根据桥梁结构的总体构造布置,运用midas有限元软件建立模型,如图2所示.

图1 桥梁结构

图2 有限元模型

2.2 地震波的选取

选择合适的地震波是桥梁抗震设计的基础,地震波的选取与桥梁的动力特性、场地类别等因素的影响有关,因此桥梁抗震设计时,合理的选取地震波至关重要.地震波的合理选取应遵循以下因素[4]:

(1) 地震波的频谱特性. 要求抗震设计时所选的地震波的特征周期应与桥梁所在场地的固有周期相近;

(2) 地震的持续时间. 从首次达到时程曲线最大峰值的10 %的那点算起,到最后一点到达最大峰值10 %为止,有效持续时间不小于桥梁基本周期的5～10倍;

(3) 加速度的有效峰值. 将地震峰值加速度进行调整,使加速度峰值与桥址所在场地的抗震设防烈度对应的峰值加速度一致.

2.3 时程分析法计算结果

依据文献3规范规定:时程分析的最终结果,当采用3组时程波时,取3组计算结果的最大值,本文所选用的地震波为埃尔森特罗波(El-Centro)、塔夫特波(Taft)和人工波,具体地震波形式,如图3～图5所示.

图3 艾尔森特罗波(El-Centro) 图4 塔夫特波(Taft) 图5 人工波

2.4 三种支座下的墩底剪力在不同地震波下的时程结果对比

三跨连续梁桥采用球形钢支座分别在埃尔森特罗波、塔夫特波和人工波下2号墩墩底的剪力时称曲线，如图6～图8所示.

图6 埃尔森特罗波下墩底剪力 图7 塔夫特波下墩底剪力 图8 人工波下的墩底剪力

由图6～图8可知，当三跨连续梁桥在采用球型钢支座时，在三条波下的2号墩墩底剪力分别为173.1 kN,152.2 kN,588.5 kN,取最大值为588.5 kN.

三跨连续梁桥采用板式橡胶支座分别在埃尔森特罗波、塔夫特波和人工波下2号墩墩底的剪力时称曲线，如图9～图11所示.

图9 埃尔森特罗波下墩底剪力 图10 塔夫特波下墩底剪力 图11 人工波下的墩底剪力

由图9～图11可知，当三跨连续梁桥采用球型钢支座时，在三条波下的2号墩墩底剪力分别为126.5 kN,102.9 kN,297.5 kN,取最大值为297.5 kN.

三跨连续梁桥在采用铅芯橡胶支座时，在埃尔森特罗波、塔夫特波和人工波下2号墩墩底的剪力时称曲线，如图12～图14所示.

图12 埃尔森特罗波下墩底剪力 图13 塔夫特波下墩底剪力 图14 人工波下的墩底剪力

由图12～图14可知，当三跨连续梁桥采用球型钢支座时，在三条波下的2号墩墩底剪力分别为238.2 kN,155.7 kN,304 kN,取最大值为304 kN.

3 结语

基于有限元法,对连续梁的地震效应分析,得出以下主要结论：模型桥梁采用球型钢支座、板式支座和铅芯橡胶支座，在三条地震波作用下，2号墩墩底最大剪力分别为588.5 kN,97.5 kN,304 kN.长春属于严寒地区,查该桥设计说明书,整体升温为24℃;整体降温为-43℃,计算出2号墩的支座摩阻力为933.5 kN,汽车的移动制动力521 kN.得出结论:该桥在E1地震作用下结构处于弹性阶段.因此，采用减隔震的效果和非减隔震支座的效果的差异不大,该桥的抗震设计不控制强度设计，而是由静力计算的支座摩阻力控制的.

参 考 文 献

[1] 范立础,卓卫东.桥梁延性抗震设计[M].北京:人民交通出版社,2001:43-56.

[2] 范立础.桥梁抗震[M].上海:同济大学出版社,1997:94-104.

[3] 公路桥梁抗震设计细则(JTG/T B02-01-2008)[S].北京:人民交通出版社,2008.

[4] 范立础,胡世德.大跨度桥梁抗震设计[M].北京:人民交通出版社,2001:42-47.

[5] 公路桥涵设计通用规范(JTG/T B02-01-2004)[S].北京:人民交通出版社,2004.