波纹钢腹板连续梁桥动力特性及地震响应分析

2015-04-26 09:12刘敬坤林明庄

湖南交通科技 2015年1期

刘敬坤，林明庄，应雪

(中国林业科学研究院热带林业研究所，广东广州 510520)

0 引言

波纹钢腹板PC 组合梁桥是一种经济、高效、施工简便的新型桥梁形式。自从1988 年ACSI 协会将波纹钢腹板PC 组合箱梁作为桥梁结构进行介绍后，世界各国均围绕这一新的组合结构进行研究。其恰当地将钢、混凝土两种不同材料结合起来，提高了结构稳定性、强度及材料的使用率，有效地解决了传统混凝土箱梁腹板容易开裂的问题，并大幅度降低腹板的重量来实现主梁的轻质化，从而改善了桥梁的抗震性能。同时，由于波纹钢腹板轴向刚度很小，腹板对翼板混凝土的约束减弱，收缩徐变效应对开裂影响得到改善，而预应力的导入效率也显著提高［1－3］。近年来，我国地震频发，作为生命线工程的桥梁结构如在地震作用力下发生破坏，将导致严重的次生灾害，危害人民群众的生命和财产安全。因此对这种新型桥梁，研究其动力特性和地震反应特点，探讨其在地震作用下的薄弱环节，为建立合理的抗震结构体系提供科学依据，这些都具有重要的现实意义。

结合某主跨120 m 的连续梁桥的工程背景，将其试设计成波纹钢腹板梁桥，建立起有限元动力计算模型，对该结构的动力特性进行了计算，采用时程分析方法对其在各向地震动作用下的结构反应特点进行了分析研究，以期为类似工程提供相应参考。

1 对比设计

1.1 工程背景

某PC 连续箱梁桥为3 跨预应力混凝土变截面连续刚构体系.跨径布置为65 m+120 m+65 m，采用单箱单室截面，箱梁宽8 m，翼缘板悬臂4 m，全宽16 m。箱梁高度按1.8 次抛物线变化，根部高6.5 m，端部及跨中高2.5 m;箱梁底板厚度按1.8次抛物线变化，根部厚0.8 m，跨中厚0.25 m，箱梁顶板厚0.28 cm，腹板厚度在0.45 ～0.8 cm 之间。全桥在端支座和中边跨跨中处共设5 道横隔板。桥梁主墩为钢筋混凝土实体墩，墩宽8 m，薄壁厚度为3 m，主墩采用承台配2 排共6 根桩径1 m 的钻孔灌注桩。桥梁的总体布置见图1。截面尺寸如图2a所示，截面特性见表1。

图1 桥梁的总体布置(单位:cm)

图2 截面尺寸(单位:cm)

表1 截面特性对比表

1.2 对比设计及有限元模型建立

波纹钢腹板梁桥是在原PC 梁桥的基础上，用16 ～30 mm 厚的1600 型的波纹钢腹板替代钢筋混凝土腹板，相关截面尺寸与原PC 梁桥相同，完成对比设计。截面尺寸如图2b 所示，截面特性见表1，静力学验算结果符合相关规范的规定［4－8］。

采用桥梁计算软件Midas/Civil 2010 模拟建立PC 连续梁桥和波纹钢腹板连续梁桥模型，如图3a和图3b 所示，PC 连续梁桥整体模型包含了节点86个，单元83 个，其中桥墩和主梁均使用梁单元建立，墩和主梁的连接利用弹性连接，由于桥位处于基岩场地，基岩刚度较大，承台下采用钻孔灌注桩于基岩内，因此可以按刚性基础偏保守考虑。波纹钢腹板梁桥建立模型的方式与PC 梁桥类似，在其主梁单元中未计入波纹钢腹板的抗弯刚度，只考虑其自身重量对桥梁的影响。

图3 有限元模型

2 确定地震波

采用时程法对该桥进行地震反应分析，当无实测地震波时，可根据频谱特性、持续时间和有效峰值三个方面来选取相近的地震波。频谱特性即设计场地的特征周期与所选用的地震波的特征周期应基本相同;持续时间是指有效持续时间;峰值强度可以通过放大系数使所选用的地震波与实际地震峰值强度一致。

根据《中国地震动参数区划图》(GB18306－2001)划分，工程背景的场地条件为:地震动峰值加速度小于0.05g，地震动反应谱特性周期0.35 s，对应的地震基本烈度小于Ⅵ度，不考虑地震液化影响。

本文选取的地震波为:1979，James RD.EI Centro，310 Deg。以下分三个方面进行说明。

2.1 频谱特性

所选用地震波的有效峰值加速度EPA=4.744 m/s2，有效峰值速度EPV=0.267 m/s。特征周期，与场地特征周期0.35 s 接近。

2.2 持续时间

结构一阶自振周期T1=1.329 s，10T1=13.29 s，所选用的地震波持续时间为37.82 s，有效持续时间大约为24.5 s，所选用的地震波有效持续时间满足要求。

2.3 有效峰值

所选用地震波的放大系数为:

3 动力特性

结构动力分析是进行结构抗震性能分析的前提，根据《抗震细则》规定，结构分析中所考虑的振型阶数在计算方向上获得90%以上的有效质量，为了满足振型在各个方向的振型参与质量之和达到要求，保证计算精度，本桥计算了前60 阶的频率与振型，振型参与质量均占95%以上。分析得到了PC梁桥和波纹钢腹板梁桥的动力特性，表2 给出了两座桥的前5 阶的频率、周期和振型特征，图4 为它们的前2 阶振型图。

表2 前5 阶自振频率及振型特征表

图4 PC 梁桥与波纹钢腹板梁桥的振型图

由表2 和图4 可以看出，波纹钢腹连续梁桥的动力特性具有如下特点:

1)PC 梁桥与波纹钢腹板梁桥的结构基频都随着阶数的增大而增大，但是波纹钢腹板的增大速率明显高于传统的PC 梁桥，相应的周期变化则与之相反。

2)PC 梁桥与波纹钢腹板梁桥的振型特征相差不大，二者前5 阶都出现了一次横向弯曲，不同的是PC 梁桥出现在第3 阶振型，而波纹钢腹板出现在第4 阶振型。

4 地震反应分析

采用线性时程方法，分别对纵向、横向和竖向地震动作用下的两种桥型的地震反应进行分析。

4.1 纵向地震反应分析

在地震波纵向一致激励下，两种桥型的主梁最大位移与最大内力值见表3，由表3 可知在纵向地震作用下，PC 梁桥的主梁最大内力均大于波纹钢腹板的主梁最大内力，而位移则与之相反。主要原因是PC 梁桥的刚度大于波纹钢腹板梁桥的刚度。可见波纹钢腹板梁桥的反应比PC 梁桥剧烈，但内力小于PC 梁桥，从而具有优越的抗震性能。两种桥型的中跨跨中的竖向位移反应如图5 所示。

表3 纵向地震作用下位移和内力最大值

图5 纵向地震作用下两种桥型的中跨跨中位移反应图

4.2 横向地震反应分析

在地震波横向一致激励下，两种桥型的主梁最大位移与最大内力值见表4，它们主梁既无纵向和竖向位移又无轴力，PC 梁桥的横向位移、剪力和弯矩均大于波纹钢腹板梁桥的对应值，这是由于两种桥梁的横向刚度不同所致，PC 梁桥的横向刚度要大于波纹钢腹板梁桥的横向刚度。两种桥型的中跨跨中的横向位移反应如图6 所示。

4.3 竖向地震反应分析

在地震波竖向一致激励下，两种桥型的主梁最大位移与最大内力值见表5，它们的主梁均无横向位移，波纹钢腹板的纵向和竖向位移均大于PC 梁桥相应的位移，但是其主梁最大内力小于PC 梁桥的，进一步验证了波纹钢腹板梁桥的竖向刚度要小于PC 梁桥，显示了其抗震方面的优越性。两种桥型的中跨跨中的竖向位移反应如图7 所示。