金属功能材料

大跨度连续刚构桥动力特性研究

0 引言

随着公路建设的快速发展,跨越高山大河的高墩大跨度桥梁日见增多。王家庄连续刚构桥地处频繁地震区,地震灾害较易发生,其抗震设计尤为重要。结构自振特性是其本身固有属性,对结构的自振特性进行分析是桥梁抗震研究中的重点,了解结构自振特性是进一步分析地震反应的前提[1,2]。卢三平等认为需对桥墩墩顶与墩底区域加强钢筋约束,用于提高墩体的延性[3]。为了查明在特定地震作用下,对该桥结构的自振特性以及动力特性的影响。本文以郑州至登封快速通道改建工程中的王家庄连续刚构桥为背景,利用三维有限元软件MIDASCivil 2015对该桥进行动力特性分析,并得出相关结论,为同类桥梁抗震设计提供参考。

1 工程概况

王家庄连续刚构桥位于河南省郑州市。该桥上部结构为(60+100+60)m变截面箱梁,下部结构采用双肢薄壁墩,基础为钻孔灌注桩基础。其主跨跨越王家庄水库,其中7#、8#桥墩高分别为44m和41m。主桥左、右幅均为单箱双室变截面连续刚构箱梁,箱梁横截面为单箱双室直腹板,箱梁采用挂篮悬臂浇筑施工。图1、图2为该桥桥型布置图和标准横断面图。

图1 王家庄连续刚构桥桥型布置图(单位:m)

图2 王家庄连续刚构桥标准横断面(单位:m)

2 有限元模型建立

有限元法本质是数值计算的一种方法,将结构分为若干个有限单元体,然后对有限单元组合体进行分析。本文使用MIDASCivil 2015对该桥进行有限元结构分析,其结构简单,主要由墩、梁、基础三部分固结为一体共同受力。该桥主梁左右对称,根据悬臂挂篮浇筑节段共划分为87个节点、86个单元;两薄壁墩分别由22个单元组成。每根桩基础依据长度划分为25个单元,全桥共计787个节点、756个单元。该桥有限元模型如图3所示。

图3 有限元分析模型

依据JTGB02-2013《公路工程抗震规范》5.6.7规定[4],需将主墩分割为3个以上的单元。群桩基础,考虑桩土共同作用,桩-土作用采用“m”法进行模拟。

3 自振特性分析

对王家庄大桥施加特定地震波1(1940,E1 Centro Site,270 Deg)、特定地震波 2(1952,Taft Lincoln school,Vertical)以及一条人工地震波3见图4~图6。

图4 1940,E1 Centro Site,270 Deg地震波函数

图5 1952,Taft Lincoln school,Vertical地震波函数

图6 人工地震波函数

表1列出了该桥前6阶自振特性,图 7(a)~(f)为前6阶振型模态图。

表1 王家庄大桥前6阶自振特性模态号 周期/s 频率/Hz 振型特征15.09 0.20 体系纵飘23.77 0.27 体系对称竖弯32.57 0.39 体系横向对称竖弯42.40 0.42 体系反对称竖弯51.80 0.56 体系对称竖弯65.09 0.20 体系纵飘

图7 前6阶振型模态图

由表 1 及图 7(a)~(f),第 1 阶振型为该桥基本振型,周期为1.30s,振型特征表现为主梁对称竖弯,该特征同连续梁桥的振型特征相似,主要是由塔梁固结的支承体系造成的,同常规刚构桥出现纵飘与横弯的特性有所不同。第4阶振型为全桥纵飘,周期0.48s,表现了该桥纵向较大的柔性,在地震发生时可有效削减纵向地震作用造成的主梁内力,但主梁会由此产生较大纵向地震位移。为达到抗震目的,避免落梁事故发生,可在墩顶采取必要构造措施以限制主梁的纵向位移。结合表 1 及图 7(a)~(f)分析可得:

(1) 第1阶振型是以桥墩为主的纵向振动,主梁发生纵飘,两主墩振动方向相同,均发生侧倾。由于桥位较高,所以桥体纵向保持一定柔性对桥体稳定比较有利。

(2) 第2~4阶振型为主梁和两主墩的面内侧倾,全桥的最大振动幅度均出现在桥墩墩顶部位,两薄壁墩顺桥向弯曲。

(3) 第5阶为主梁对称竖弯,频率为0.56Hz,说明该桥的竖向刚度大于纵横向刚度,使得竖向振型晚于纵横向振型出现。

(4) 第6阶振型与第1阶相似,均为主梁发生纵飘。

从模态1~6看出,桥身自振频率呈周期性变化,基频为0.20Hz,桥身振型特征也呈周期性变化。自振频率越高,对桥体结构的影响力以及破坏力越强,在桥梁结构设计阶段,应多注意墩体塑性和刚度。

4 动力时程分析

对王家庄大桥采用振型分解法进行抗震分析[5],目的是对纵向和横向的最大应力和位移进行计算,考虑前10阶振型,通过横向和纵向的应力位移作图分析并得出相关结论。

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