地震荷载下桩土作用对高墩刚构桥的影响

2021-07-27 03:02杨光明
工程与建设 2021年2期
关键词:墩顶刚构桥高墩

杨光明

(合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

我国面积广襄,大大小小的桥梁不计其数,其中绝大多数是中小跨度的桥梁。但随着我国的综合实力不断增加, 新建的桥梁大多以大中型为主。大跨度桥梁工程正在中国快速发展,跨度越来越大,桥形越来越灵活。其中,连续刚构桥以其内力分布合理、跨越能力强、外形优美等特点,在交通工程建设中逐渐成为一种被广泛应用的桥梁结构形式。对该类梁桥进行地震响应分析,并进行抗震性能验算,从而采取适当的构造措施减小地震影响,将对确保城市生命线系统以及高速公路网的地震安全性、减小桥梁震害和生命财产损失、促进区域社会和经济发展起到重要作用,具有非常显著的社会效益和经济效益[1,2]。因此,本文以实际工程为背景,通过采用有限元软件分析,研究高墩刚构桥的抗震性能,以期对桥梁结构设计起到一定的借鉴作用。

1 实例分析

本文分析基于四川省某跨河大桥,如图1所示。该桥为高墩混凝土连续刚构,跨径为(62+116+62) m,主梁采用预应力混凝土变截面现浇箱梁,单箱双室,整幅布置,外腹板采用直腹板形式,箱梁顶板宽度为20.5 m,采用C50混凝土。箱梁梁高和底板厚度均采用二次抛物线变化。主墩采用矩形等截面空心墩,1号主墩高67 m,2号主墩高69.5 m。过渡墩采用变截面矩形空心墩,横向分离式双墩,0号墩高58.5 m,3号墩高73.5 m,墩顶根据两侧引桥梁高的不同,设置L盖梁。混凝土技术标准应符合《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)和《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T F50-2011)的规定。

图1 桥梁总体布置图

2 有限元模型

本文采用有限元软件SAP2000进行建模分析[3],如图2所示。

图2 SAP2000有限元模型

上部结构采用能反映质量分布和刚度特征的简化脊梁模型(梁单元),上部结构的重力和地震惯性力通过桥墩传递给地基;同样,地震动的输入又通过桥墩传递给上部结构。所以桥墩单元的划分合理性决定了堆积质量的分布,从而影响着刚构桥的地震惯性力分布[4,5]。支座采用Plastic Wen单元来模拟滑移摩擦效应[6]。为了研究地震荷载作用下桩土相互作用对该刚构桥的影响,模型的边界条件分别为:基础采用固结形式(以下简称固结模型)和6×6土弹簧模型(以下简称土弹簧模型)。

3 力学分析

3.1 动力特性分析

为了了解结构的动力特性,采用Ritz向量法分析了两种模型的20阶振型,表1仅列出前10阶自振周期。

表1 高墩刚构桥前10阶自振周期

从表1可以看出,土弹簧模型和固结模型计算得出的自振周期不同,考虑桩土作用作用后,结构的自振周期有所增大,但自振振型形状基本相同,没有明显差异。可以得出真实的结构自振周期要比固结模型计算得到的自振周期大,桩土作用对高墩连续刚构的自振周期有较大的影响。

3.2 不同地震波下的时程分析

本文选取2条实际地震动加速度记录EI-Centro波、天津波以及1条实际的人工波进行结构的地震反应分析。为了分析对比,通过线性缩放法将3条地震动的水平峰值加速度调整为0.1g,再通过Seismo Match软件进行滤波,基线修正。地震动的输入方向沿着顺桥向X向和横桥向Y向分别输入。通过计算求得两种模型的反应结果。

连续刚构桥桥墩的最大内力响应一般在墩底或墩顶,由于篇幅有限,仅列出1#桥墩在地震作用下弯矩。三种地震波输入下,两个模型中1#桥墩的弯矩包络图如图3、图4所示,1#桥墩的墩顶位移见表2。

图3 1#桥墩纵桥向弯矩

图4 1#桥墩横桥向弯矩

表2 1#桥墩墩顶位移

分析可以得到以下结论:

(1)不同地震动作用对同一模型产生的影响不同。顺桥向地震作用下,桥墩的弯矩沿墩顶到墩底呈先减小后增大的趋势,最大弯矩发生在墩底截面且墩顶也承受较大的弯矩。横桥向地震作用下,桥墩的弯矩沿墩顶到墩底呈一直增大的趋势,最大弯矩发生在墩底截面,因此在抗震设计中需要特别重视该类桥梁墩底和墩顶截面的设计。

(2)从1#桥墩的弯矩分布图以及墩顶的位移可以看出,在不同地震波作用下,土弹簧模型中桥墩的内力响应小于固结模型,这是因为考虑桩土作用后,使得结构变柔,桥墩内力响应变小,位移响应明显增大。

4 结束语

地震是桥梁破坏的主要原因之一,通常会造成巨大的损失。本文以大跨度高墩连续刚构桥为工程背景,分别建立了考虑和不考虑桩土作用的两种模型,分析对比了两种模型在三种地震动作用下的结构反应。无论地震波是横桥向输入还是纵桥向输入,考虑桩土作用都会使得桥墩墩顶位移增大,桥墩截面弯矩减小,说明是否考虑桩土作用会对桥梁结构内力产生很大影响,应引起故设计人员高度重视。

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