高墩大跨连续刚构桥地震响应参数分析

张清旭 宁晓骏 张敏

摘  要： 为了研究高墩大跨连续刚构桥的地震响应，该文以马过河特大桥为依托，以边中跨比为变量，以E1弹性时程作用下墩顶纵横向位移值、墩底纵横向剪力值以及弯矩值和E2弹塑性时程作用下墩底及墩顶纵横向最大塑性转角为目标，采用有限元分析软件Midas/Civil，运用动力时程分析方法，对结构进行多方位分析。结果表明：弹性阶段中，边中跨比的增加使墩顶纵桥向最大位移增大，其他目标函数值降低;弹塑性阶段中，边中跨比的增加使墩底纵桥向塑性转角呈上升趋势，墩顶纵桥向塑性转角呈减小趋势。研究结果为后续高墩大跨连续刚构桥抗震性能的研究提供一定的参考。

关键词： 连续刚构桥;地震响应;动力时程分析

中图分类号： U442.55    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.05.049

本文著录格式：张清旭，宁晓骏，张敏，等. 高墩大跨连续刚构桥地震响应参数分析[J]. 软件，2019，40（5）：253256

【Abstract】： In order to study the seismic response of high-rise long-span continuous rigid frame bridge， this paper relies on the Ma River Bridge， with the mid-span ratio as the variable， and the longitudinal and lateral displacement values of the pier top and the bottom and bottom of the pier under the E1 elastic time history. The target is the target of the shear force value and the bending moment value and the E2 elastoplastic time history. The finite element analysis software Midas/Civil uses the dynamic time history analysis method to make the structure multi-directional. analysis. The results show that in the elastic stage， the increase of the mid-span ratio increases the maximum displacement of the longitudinal bridge at the top of the pier， and the other objective function values decrease. In the elastoplastic phase， the increase of the mid-span ratio makes the plastic bridge at the bottom of the pier The upward trend， the longitudinal bridge at the top of the pier shows a decreasing trend toward the plastic corner. The research results provide a reference for the study of seismic performance of high-rise long-span continuous rigid frame bridges.

【Key words】： Continuous rigid frame bridge; Seismic response; Dynamic time history analysis

0  引言

随着我国经济的飞速发展，交通设施愈发完善。连续刚构桥有着外形美观、行车舒适和施工方法成熟等特点，得到了工程界的广泛认可[1]。西南地区高差较大，地势复杂，在这一地区修建桥梁往往涉及到大跨、高墩桥梁。近些年来地震灾害时常发生，国内外不少学者开始关注桥梁在地震作用下的性能与响应，其中高墩大跨连续刚构桥的抗震性能更是目前工程师们研究的重点。有学者[2]借助大型有限元软件对桥梁抗震性能指标进行准确验算。有学者[3]利用正交试验选出在E1弹性地震响应和E2弹塑性地震响应下的下部参数最优解。但是，上部参数的改变往往会影响连续刚构桥的抗震性能。边中跨比是重要的上部设计参数，它的选用会直接影响到梁体的内力分布[4]。基于此，本文仅以上部结构边中跨比为参数，建立不同的目标函数，通过弹性和弹塑性动力时程分析，全面对比分析边中跨比对地震响应的影响。

1  工程概况

马过河特大桥位于昆明市郊富民县，是一座跨径为103+190+103 m的预应力混凝土连续刚构桥，主梁采用现浇箱梁，主墩采用双薄壁空心墩。桥址处地震峰值加速度0.2 g，抗震设防烈度Ⅷ度。该橋立面布置图见图1。

2  有限元模型

2.1  选择参数

合理确定边中跨比的范围，可以对边中跨比这一变量进行有效研究[5-6]。对于高墩大跨连续刚构桥来说，边中跨比集中分布在0.5-0.6范围内，本文选取0.5、0.533、0.566和0.6四个不同的边中跨比模型进行分析，分别以1#、2#、3#、4#设定四组模型编号。

2.2  构建模型

本文采用有限元软件Midas/Civil建立整体模型，全桥共划分节点数721个，梁单元数612个。主要计算荷载有结构自重、钢束预应力、挂篮自重、混凝土湿重等。温度变化为整体升温20℃，降温20℃[7]。

3  时程分析

本文通过Midas/Building选取符合该桥址场地条件和抗震设防等级的地震波，使桥梁分别进行E1和E2下的地震响应。本文选取了三条地震波，分别是TH5TG030波，TH6TG030波和Taft_21波。最大值是在Taft_21波下形成的，后面所有结果均是受到该地震波作用，Taft_21地震波时程图如图3所示。

4  结果分析

4.1  动力特性分析

分别对边中跨比为0.5、0.533、0.566、0.6四个不同边中跨比的模型进行动力特性分析[8-10]。自振特性前五阶结果见表1-4。

从表1-4中可以得出，边中跨比不断改变，结构自振频率变化不大，但呈减小趋势，说明桥梁整体结构变柔，刚度逐渐减小。

4.2  动力弹性时程分析

不改变下部参数，只改变上部主梁的边中跨比，通过墩顶纵横桥向位移峰值、墩底纵横桥向剪力峰值和墩底纵横桥向弯矩峰值这六个时程分析结果做对比，多方位分析结构弹性阶段地震响应情况[11-13]。计算结果如表5-7所示。

由表5可知，随着边中跨比的增加，桥墩墩顶的纵桥向位移峰值随之增加，横桥向位移峰值随之减小，4#试验墩顶纵桥向最大位移比1#试验大17.8%，横桥向位移比1#试验小23.1%，横桥向位移变化幅度更大。

由表6可知，墩底纵横桥向剪力均随边中跨比的增加而减小，其中纵桥向剪力变化幅度较小。墩底横桥向最大剪力4#试验较1#试验小21.4%，纵桥向最大剪力4#试验较1#试验仅小7.2%。

由表7可知，墩底纵横桥向最大弯矩均随边中跨比的增大而减小，纵向弯矩变化幅度比横向小。其中，墩底横桥向最大弯矩4#试验较1#试验小22.6%，顺桥向墩底最大弯矩4#试验较1#试验仅小6.5%。

4.3  动力弹塑性时程分析

在不同边中跨比条件下，通过墩底纵横桥向最大塑性转角和墩顶纵横桥向最大塑性转角四个时程分析结果做对比，多方位分析结构弹塑性阶段地震响应情况[14-15]。计算结果如表8-9所示。

由表8可以得出，在弹塑性时程作用下，墩底纵桥向最大塑性转角2#试验最小，4#试验最大。墩底横桥向最大塑性转角与边中跨比成正比。另外，墩底纵桥向最大塑性转角2#试验较4#试验偏小23.7%，墩底横桥向最大塑性转角1#试验较4#试验偏小14.0%。

由表9可以得出，弹塑性时程作用下，墩顶并没有进入塑性状态，最大塑性转角1#试验较最小塑性转角4#试验偏大58.6%。

5  结论

本文依托实际工程马过河大桥，以边中跨比为参数，借助有限元软件Midas/Civil进行弹性时程和弹塑性时程分析，对结构展开多方位研究。软件计算结果能真实反映实际工程情况，为今后高墩大跨连续刚构桥的抗震研究提供了参考。主要结论如下：

（1）在弹性时程作用下，边中跨比的增大使墩顶纵桥向最大位移增加，其余目标函数值降低，对横桥向的影响比顺桥向大。

（2）在弹塑性时程作用下，边中跨比的增大使墩底纵桥向塑性转角呈现上升趋势。墩顶纵桥向塑性转角与边中跨比成反比。墩顶横桥向未进入塑性状态，不做比较。

参考文献：

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