基于两种单元的V形墩桥梁地震响应对比分析

严万双 郭 挺

(武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063)

0 引 言

V形墩连续刚构桥不仅具有计算跨径较短、上部结构高度较低、跨中支点部位弯矩较小等优点,而且造型美观轻盈,富有韵律感,造价也较传统刚构桥要低[1]，因此在许多城市得到了广泛的使用。目前对V形墩的研究主要集中在其施工术、动静力分析、收缩徐变等方面。随着V形墩刚构桥数量越来越多,对其进行地震响应分析是一项不可或缺的环节。

近些年来,很多桥梁事故都是因为桥梁结构动力问题产生的,其中比较常见的一种动力问题就是地震。因此,为了保证桥梁的正常使用,避免桥梁在震级较小的地震中直接破坏或者在地震作用下过早损坏,桥梁的抗震能力是在桥梁设计过程中必须考虑的要素之一。本文采用ANSYS这一大型通用有限元软件来进行梁单元和实体单元的对比分析。依托某V形墩连续刚构桥,对比分析了该大桥在梁单元模型和实体单元模型下,模态和反应谱的计算结果。

1 工程概况

某双幅大跨度V形墩预应力混凝土连续刚构桥(60+90+60)m,梁体全长为210m,单幅桥面宽度为15.1m。本桥主梁为预应力混凝土箱梁结构,混凝土采用C50标号,单箱单室,其中箱梁高度为2～3.6m,腹板厚0.35～0.55m,梁体顶板厚度均为0.26m,底板厚度为0.2～0.8m。主桥墩设计为V形墩结构,斜腿设计为实心钢筋混凝土结构斜腿顶底部连接箱梁、V撑支座部位直接与承台连接。此外,将预应力钢束沿V形墩两斜肢截面顶、底板中心部位进行布置。该桥整体布置如图1所示,箱梁断面如图2所示。

图1 桥型布置图(单位：m)

图2 箱梁断面图(单位：cm)

2 反应谱的确定

根据《城市桥梁抗震设计规范》规定,水平向设计加速度反应谱谱值S由式(1)和式(2)确定。竖向设计加速度反映谱可由水平向设计加速度反应谱乘以0.65得到[6]。

(1)

Smax=2.25A

(2)

该桥属于非规则桥梁,设计时采用A类抗震设计方法;取结构的阻尼比为0.05,特征周期分区属于二区,场地类别为Ⅱ类[6]。地震动峰值加速度值取0.10g,地震动反应谱特征周期为0.40 s,抗震设防烈度为Ⅶ度。

由此生成的反应谱如图3所示。

图3 加速度反映谱

3 有限元计算

3.1 计算模型

运用有限元软件ANSYS分别建立基于梁单元和实体单元的V形墩连续刚构桥三维模型,由于ANSYS里面自带的梁单元截面类型只有特殊的几种,所以梁单元模型需采用ANSYS自定义梁单元截面,截面网格划分借助PLANE82号单元;实体单元模型采用SOLID65号单元,其中梁单元模型的节点和单元数量分别为690个和585个,实体单元模型的节点和单元数量分别为3 516个和10 657个,发现实体单元模型节点和单元数量远多于梁单元模型,全桥模型如图4所示。

图4 全桥三维模型

3.2 约束条件和关键截面

主梁和桥墩之间的连接采用节点耦合的方式进行连接通过在墩与梁的结合位置建立节点并使墩与桥梁的节点耦合模拟成连续梁。具体的约束条件见表1(x代表桥梁纵向,y代表桥梁横向,z代表桥梁竖向),选取的各关键截面如图5所示。反应谱激励方向为纵向+横向+竖向三向组合的形式。

表1 约束条件

图5 关键截面示意图

4 结果及分析

4.1 模态结果及分析

采用子空间迭代法,对上述梁单元模型和实体单元模型分别进行桥梁结构模态分析。现取两种模型的前5阶固有频率和振型特征进行比较,有关计算结果详见表2及如图6所示。

表2 两种模型频率周期对比

图6 两种模型振型对比图

由以上结果可知，实体单元模型的自振频率和梁单元模型结果相近,从第1阶到第5阶振型特征也大致相同,频率差距并没有随着阶数的增加而增加,同时也证明了模型的正确性。

4.2 反应谱结果及分析

采用反应谱分析方法,选定的5个关键截面的各向最大位移值详见表3,弯矩值见表4。位移响应变形如图7所示。

表3 各截面位移值(单位：mm)

表5 各截面弯矩值(单位：kN·m)

图7 位移响应变形图

由以上图表可知,两种单元模型均表明V形墩连续刚构桥地震位移响应较为明显的是主跨跨中和边跨四分之一附近,在桥梁抗震设计中应该着重关注这两个区域,主梁关键截面的弯矩值均大于两斜腿截面。

5 结 论

(1) 在进行结构分析时,可以通过建立两种不同单元类型的模型,对比分析两者的结果,以此来相互验证所建模型是否正确。

(2) 在计算结果相近的情况下,梁单元模型的节点和单元数量远小于实体单元模型,有利于节约计算时间和存储空间。

(3) 在ANSYS桥梁结构分析中,应该优先采用梁单元进行计算分析。

(4) 在地震力作用下,V形墩连续刚构桥截面1-1和截面3-3的地震响应最为明显,应当视为危险截面;V形墩处响应较小,抗震能力较强。