摘 要:阐述了动态时程分析法的原理,结合实例,将El-Centro波、Taft波和Northridge波三种不同的地震波输入结构,研究其对结构地震响应的影响,通过对地震反应的分析和总结,指出对于桥墩的抗震设计需在桥墩两端局部区域加强。
关键词:地震波,时程分析,桥墩,抗震设计
根据地震震害资料的分析和对地震作用的深入研究发现,结构在强震作用下,通常都进入弹塑性范围,产生较大的塑性变形,从而逐步认识到结构延性对抗震的作用。在采用反应谱理论计算地震力时,设计过程仍属于静态方法,还是以强度破坏为准则,属于一阶段抗震设计方法。这往往给设计人员造成一种错觉,即不需要提高结构延性能力,而只要增加结构强度的方法便可提高结构的抗震能力,这是一次抗震设计方法最主要的缺陷。动态时程分析法可以使桥梁的抗震设计从单一的强度保证转入强度、变形(延性)的双重保证,同时使桥梁工程师更清楚结构地震动力破坏的机理和正确提高桥梁抗震能力的途径。
1 基本原理
动态时程分析法从选定合适的地震动输入(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,然后采用逐步积分法对方程进行求解,计算地震过程中每一瞬时结构的位移、速度和加速度反应,从而可以分析出结构在地震作用下弹性和非弹性阶段的内力变化以及构件逐步开裂、损坏直至倒塌的全过程。这一计算过程相当冗繁,需借助专用计算程序完成。
动态时程分析法可以精确地考虑地基和结构的相互作用,地震时程相位差及不同地震时程多分量多点输入,结构的各种复杂非线性因素(包几何、材料、边界连接条件非线性)以及分块阻尼等问题,建立结构动力计算图式和相应地震振动方程,使结构的非线性地震反应分析更趋成熟与完善。
2 计算过程及实例分析
2.1 基本情况
某大桥地处城市枢纽区,桥式为(60+9×96+60) m预应力混凝土刚构连续梁桥,各墩均为钢筋混凝土板式墩,混凝土标号是C50。主梁为11跨变截面预应力混凝土刚构连续梁,中间孔为刚构。中支点附近梁高7.2 m,端支点及跨中附近梁高3.9 m,梁顶为直线。端支点附近梁体下缘有17.9 m平段,中支点处下缘有3.2 m平段,96 m跨跨中有10 m长平段,平段间以二次抛物线过渡。横截面为单箱单室直腹板结构,箱梁底宽6.0 m,顶板宽10.4 m(道碴槽宽8.2 m),厚0.36 m,腹板厚0.4 m~0.7 m,底板厚0.45 m~1.0 m,板厚均在箱梁内变化。梁体采用悬浇法施工,边孔不平衡段在支架上现浇施工。全桥采用钻孔桩基础。
2.2 计算与分析
2.2.1 计算模型的建立
依据实际结构,借助大型有限元结构分析通用软件ANSYS 8.1建立大桥的空间有限元模型,如图1所示。在计算模型中,主要采用了梁单元、刚性单元、质量单元和弹簧单元。连续梁、桥墩以及承台和桩基均采用梁单元Beam4模拟,地基对于桥墩承台和桩基的作用采用弹簧—阻尼单元Combin14模拟。
2.2.2 计算结果分析
文中在选择地震动加速度时程时,根据该桥的场地土资料可知,该桥属于Ⅱ类场地土,选择了3条国内外常用的强震记录,分别为El-Centro波、Taft波和Northridge波。文中时程分析对如下6个工况进行计算。
工况1:El-Centro波纵向单向输入;
工况2:El-Centro波横向单向输入;
工况3:Taft波纵向单向输入;
工况4:Taft波横向单向输入;
工况5:Northridge波纵向单向输入;
工况6:Northridge波横向单向输入。
文中仅对45号,46号,47号,48号这4个墩进行研究,经计算得到了6种工况输入的大桥关键截面的内力峰值和位移峰值,在不同的地震波激励下,桥墩的地震反应是不同的。在地震波纵向激励作用时,Taft波引起的桥墩地震反应最大,其次是EL-Centro波,Northridge波引起的反应最小,这种差距在刚构墩上表现最为明显;在地震波横向激励作用时,EL-Centro波引起的桥墩地震反应最大,其次是Taft波,Northridge波引起的反应最小,但在刚构墩上Northridge波引起的地震反应比Taft波要大一些。
3 结语
地震荷载的输入采用了纵向和横向输入模式。按照两种建模方式和多种荷载工况,因此会产生多种计算模式。通过对多种计算模式情况下的地震反应分析和总结,得出以下几点主要结论:
1)对于连续刚构桥,地震的作用纵向效果主要体现在桥墩的底部和顶部,墩身内力反应最大值发生在墩底截面处,此截面是墩身最危险截面。考虑到墩顶截面处的内力也较大,且位于梁、墩固结处内力较为复杂。因此,对于桥墩的抗震设计需要在桥墩两端局部区域加强。
2)从时程分析的结果可以看出,刚构桥的横向刚度比纵向刚度要大,对于本桥横向可以不控制设计。在沿桥纵向输入时,内力和位移最大值都发生在刚构墩。因此,连续刚构桥中刚构墩为最不利墩,在设计时应予以重视。
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