斜交箱梁桥在地震作用下的动力特性参数分析

孙宜鹏,赵　青，雷庆关

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230022)



斜交箱梁桥在地震作用下的动力特性参数分析

孙宜鹏,赵青，雷庆关

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230022)

摘要：本文以西部某城市斜交箱梁桥为工程背景,利用有限元分析软件Midas Civil建立了不同斜交角度的有限元分析模型,运用时程分析的方法，研究了在跨度、墩高等相同的条件下,斜交角度对斜交梁桥动力特性以及地震反应的影响。经过分析，所得结果表明:斜交角度是影响其动力特性的一个重要因素,且对斜交桥的抗扭刚度和地震响应有较大的影响。

关键词：斜交桥；时程分析；斜交角度；抗扭刚度；地震反应

0引言

我国是地震多发国家，历史上发生的大地震带来了巨大的生命财产损失，其中桥梁的震害现象比较严重，因此对于桥梁的抗震研究非常重要。由于桥位处的地形限制或者由于高等级公路对线形的要求，而将桥梁设计成桥轴线与支承线不相互垂直的斜交形式，这样布置的桥梁称为斜桥或斜交桥。随着我国交通运输事业的发展，斜交桥得到越来越广泛的应用。据统计，在高等级公路上，斜交桥的数量可以达到整条线路桥梁总数量的 40%～50%；到目前为止，相对正交桥设计理论来讲，公路斜交桥设计理论的发展比较缓慢，国内外学者也只是对公路斜交桥静力性能方面有较多的研究；而在动力性能方面，国内外的研究相对较少，尤其抗震方面的研究迄今仍是很少[1～6]。

本文选取西部某城市斜交箱梁桥的典型工程案例，采用有限元分析软件Midas Civil建立三跨连续斜交箱梁桥的有限元模型；并对其进行动力特性分析,研究了斜交箱梁桥在跨度、墩高等相同的条件下,斜交角度的变化对其动力特性的影响。并通过分析，总结斜交箱梁桥地震反应的影响规律。

1工程概况

西部某市跨河桥为3×30m的等截面预应力混凝土连续斜交箱梁桥。该桥上部结构采用单箱三室截面，混凝土强度等级为C50，桥面宽度为21.2m，底板宽度为17.0m，箱梁高度为2.0m。下部桥墩为双柱式桥墩，采用C40混凝土，横桥向间距为5.5m，1.6m×1.8m矩形截面，纵向钢筋和箍筋分别采用HRB335和R235钢筋，纵向配筋率1.37%，配箍率ρy为0.53%，ρz为0.47%，墩高皆为8.0m；支座均为盘式橡胶支座，采用弹性连接单元模拟，其布置形式和约束方向，如图1所示。抗震设防类别为B类，抗震设防烈度为8度，中软场地类型。

图1支座布置形式和约束方向

2动力特性分析

2.1自振频率和振型特性

为了真实地反应斜交宽箱梁的受力情况，对于该桥梁上部结构，建模时采用梁格法。梁格法的中心思想就是将原模型的刚度等效到梁格模型中，在相同的荷载作用下，两者的变形是一致的[7～8]，计算模型如图2所示。在分析结构固有的动力特征时，为了提高计算的精度，采用多重Ritz向量法得到结构的动力特性，包括振型形状、自振频率等。表1列出斜交角度分别为0度、15度、30度、45度和60度时，斜交箱梁桥前十阶振型模态的自振频率和振型特性。

由表1可以看出：

(1)尽管斜交角度不同、频率不同，但前两阶

振型特性相同，分别为第一振型顺桥向平动和第二振型横桥向平动；且前两阶振型，随着斜交角度越大，频率越大。

(2)在前十阶振型中，随着斜交角度的增大，出现扭转振动的阶数越来越高。这说明上部结构的抗扭刚度受到斜交角度的影响显著。

图2有限元模型

图3斜交角度对前三阶自振频率的影响

2.2斜交角度对斜交箱梁桥动力特性的影响

在分析斜交角度对斜交箱梁桥动力特性的影响时, 取斜交角度的变化范围为0度、15度、30度、45度、60度，并在建模时保持斜交箱梁的跨度、墩高等条件不变。图3绘出了三跨连续斜交箱梁桥的前3阶频率与斜交角度参数之间的关系曲线。

由图3可以看出:随着斜交角度的增大,前2阶自振频率也不断增大,且第二阶振型自振频率的变化要第一阶振型自振频率的变化快。且在0度到45度范围，第三阶振型自振频率随着角度增大而增大，而到了60度时频率是减小的。综上所述，说明了斜交箱梁桥在跨度、墩高等相同的条件下,斜交角度是影响其动力特性的一个重要因素。

表1　斜交箱梁桥的自振频率和振型特性

3地震反应分析

3.1地震波参数选择

地震波的选取对结构时程分析的结果影响极大，所以对地震波的选取是非常重要的。国内外大量资料认为地震动的确定应以地震动记录的峰值、频谱特性、持续时间与规范规定相接近作为选波的控制条件，采用比例调整以使其满足控制指标。

本文以西部某城市斜交桥为工程背景，根据桥址处的场地土特性进行地震波的输入,选用了1940 El Centro Site 270 Deg和1940 El Centro Site 180 Deg的两个方向的地震波，见图4，地震波特性如表2所示，并根据规范要求对地震波加速度峰值进行比例调整[9]。地震激励输入采用水平双向正交输入方式，1940 El Centro Site 270 Deg沿着桥梁顺桥向输入，1940 El Centro Site 180 Deg沿着桥梁横桥向输入。

表2　地震波的特性

3.2非线性分析计算模型

本文采用Midas Civil建立有限元模型来进行非线性动力时程分析，主梁和墩柱都采用空间梁单元模拟，由于在地震作用下上部结构主梁基本上处于弹性状态，故可采用弹性梁单元模拟。墩柱具有较大的延性能力，可进入弹塑性状态，抗震规范中允许桥墩在强震作用下出现塑性铰，因此墩柱采用弹塑性纤维梁柱单元模拟，如图5所示。无约束混凝土(即保护层混凝土)和约束混凝土(即核心区混凝土)都采用 Mander 混凝土本构模型，钢筋采用双折线骨架曲线模拟，墩底直接固结，不考虑桩-土相互作用。

3.3斜交角度对斜交桥地震反应的影响分析

斜交桥和正交桥相比起来，受力特点有其特别之处，比如支承处反力、钝角负弯矩、扭矩，正是因为这些不同造成它对地震作用的反应也会产生变化。而斜交角度是影响斜交桥地震响应的一个显著的特征因素。本节选取0度、15度、30度、45度和60度五个斜度参数，在跨径、桥墩高度等保持一定的条件下，通过进行地震时程响应分析,绘制出斜交角度与最大地震响应值之间的关系曲线，如图6～图11所示。

图6桥墩底部弯矩

图7桥墩底部剪力

图8桥墩顶部位移

图9箱梁跨中弯矩

图10箱梁跨中剪力

图11箱梁跨中竖向位移

由图6和图7可知：1#墩和2#墩的墩底弯矩和墩底剪力的变化趋势大体相同；2#墩的墩底切向弯矩和剪力值与斜交角度的变化成正比，但2#墩的墩底径向弯矩和剪力与斜交角度的变化成反比。由图8可知：1#墩和2#墩的墩顶径向位移值相近，都与斜交角度的变化成反比；且1#墩的墩顶切向位移要大于2#墩的墩顶切向位移。综上所述，说明了斜交角度的变化对斜交箱梁的切向刚度以及径向刚度的影响比较大。

由图9可知：边跨和中跨的跨中弯矩值都与斜交角度的变化成正比，且边跨值远大于中跨值。由图10可知，中跨跨中剪力值几乎不随斜交角度的变化而变化，而边跨跨中剪力值与斜交角度变化成正比，且边跨值远大于中跨值。由图11可知：边跨跨中竖向位移与斜交角度变化成正比，且当斜交角度大于30度时，边跨值大于中跨值。综上所述，说明斜交角度对斜交箱梁的地震最大响应值影响较大。

4结论

从斜交箱梁桥自振频率、振型特性以及地震响应分析,发现其变化规律,得出了以下几个结论:

(1) 随着斜交角度的增大，斜交箱梁桥的扭转振型阶数越大，且出现扭转变形的阶次明显提前，表明斜交角度的变化对斜交梁桥的抗扭刚度产生较大的影响。

(2)斜交箱梁桥其上部结构箱梁的刚度一般较大,下部结构桥墩的刚度相对较小,因此低阶振型主要是以桥墩的振动为主,且桥墩的变形较大。

(3)在跨度、墩高等相同的条件下,斜交角度的变化对斜交箱梁桥低阶频率的影响比较大,而且对其高阶振型特性的影响也是比较大的，说明斜交角度是影响其动力特性的一个重要因素。

(4)斜交角度的变化对斜交梁桥的切向刚度和径向刚度有较大的影响,且影响其地震最大响应。

参考文献

1盛兴旺.预应力混凝土斜交箱形梁分析理论与试验研究[D].长沙:中南大学, 2000.

2何旭辉,戴小东,盛兴旺,等.预应力混凝土连续斜交梁自振特性试验研究[J].长沙铁道学院学报, 2001, 19(1): 14-17.

3盛兴旺,曾庆元.斜交箱梁的板梁段有限元法[J].中国铁道科学, 2004, 25 (3): 55-60.

4卓秋林． 公路简支斜梁桥地震反应分析[D]．福州: 福州大学，2004

5肖一，卓卫东． 斜交角对公路连续斜交梁桥地震反应的影响分析[J]． 福建建筑，2006( 6) : 56-58．

6Maleki S .Support Modeling of Skewed Slab-Girder Bridges[C]. Proceedings: Metropolitan Habitats and Infrastructure, IABSE Symposium,Shanghai:2004.

7E.C.汉勃利．桥梁上部构造性能[M]．北京：人民交通出版社，1982.

8郑振飞, 吴庆雄. 斜、弯桥跨分布的广义梁格法[M]. 北京: 人民交通出版社, 1998.

9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.

Analysis of Dynamic Characteristic Parameters of a Skew Box-Girder Bridge
under The Action of Earthquake

SUN YiPeng, ZHAO Qing， Lei Qingguan

(Civil engineering school , Anhui jianzhu university,Hefei,230022,China)

Abstract:In the paper, we take a skew box-girder bridge in a western city as the engineering background, the finite element analysis model is established for the different skew angle by using Midas Civil software. Using the method of time history analysis, studied in the span, pier height under the same conditions, skew angle has an influence on the dynamic characteristic and seismic response of skew girder bridge. The analytical, results show the oblique angle is one of the important factors that influence the dynamic characteristics, and it has a great influence on the torsional rigidity and seismic response of the skew bridge.

Key words:skew bridge; time history analysis; skew angle; torsional stiffness; seismic response

作者简介：孙宜鹏(1989-)，男，硕士研究生，主要研究方向桥梁结构动力分析。

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150605

中图分类号：TU411.01

文献标识码：A

文章编号：2095-8382(2015)06-021-04