山区整体式桥梁地震响应模拟分析

黄 强 张佳宁

(1、重庆市雄远工程勘察设计有限公司，重庆408500 2、重庆科技学院，重庆401331）

近几十年来，我国西部山区交通基础建设发展飞速，越来越多的高速公路、桥梁、铁路等大型基础设施向山区挺进。整体式桥梁由于其桥身与桥台之间没有设置支座和伸缩缝，而是刚性连接为一体，从而具有能极大地节省桥梁寿命周期的维护与维修费用、无缝桥能够克服传统桥梁在耐久性和抗震性能方面的不足、桥梁伸缩缝的病害问题等优点，广泛应用于山区桥梁的建设中[1]。我国西部山区地形地貌特殊，且处于地震高发地段，山区降水量丰富，河岸山体巨大且较高，悬崖陡峭，容易发生地震、崩塌等灾害，尤其是地震灾害具有极大的破坏性，直接影响到山区交通基础设施以及其它建筑结构的安全与运营。桥梁作为连接山区交通路线的关键枢纽，是山区交通基础建设中不可或缺的结构物，一旦桥梁受地震灾害影响损坏，将严重威胁到山区交通路线的安全运营以及人员活动安全，所以研究山区桥梁地震响应和应对措施，提高山区桥梁的抗震性能，对保证山区交通运营安全、促进山区发展有着十分重要的意义。本文基于ANSYS有限元软件，建立了该山区整体式桥梁的有限元模型，并分析其固有动力特性，再基于反应谱法施加地震效应，分析其在地震荷载下的动力反应，以期为今后类似的山区整体式桥梁抗震设计，提供一定意义的理论参考。

1 反映谱分析

随着社会科学技术的发展，越来越多的人投入结构物抗震研究中，关于结构物抗震分析领域的理论和实践也在逐步完善。目前人们采用的抗震分析手段主要分为三种类型：静力法、反应谱法以及时程分析法[2]。其中地震反应谱法是指一种关系曲线，该曲线表示了单自由度体系在给定的地震作用下其最大绝对加速度反应与体系自振周期之间的关系。运用反应谱法分析结构物抗震反应，可以实现将计算结构的动力问题转化计算结构的静力问题。作为结构物抗震的计算方法之一，反应谱法计算结构物的地震响应时，既考虑了地面的运动特征，又考虑了结构的动力特性[3]。采用反应谱法分析结构物在的证作用下的响应时，一般按照首先根据地震波记录得到反应谱——再提取分析对象的各阶模态——然后根据反应谱理论计算各阶振型的地震作用——最后通过组合叠加计算总的地震最大响应[4]。

2 有限元模型

该整体式桥梁总长5×40=200m，桥幅宽度12m，高差约70m，桥跨为5 跨，桥梁的上部结构为混凝土T 梁，属于先简支后结构连续体系。梁高2.5m，横桥向每跨共5 片T 梁，3 片中梁，2 片边梁，梁肋中距2.4m。中梁预制梁宽1.70m，边梁预制梁宽2.05m。其材料参数如表1 所示。本模型采用Beam188 单元跟Solid187 单元建立，其中预应力混凝土T 梁使用Beam188 单元，桥墩采用Solid187 单元建立。该桥梁桥墩底面采用固结约束，图1 为有限元模型示意图。

图1 整体式桥梁有限元模型

表1 材料参数

3 地震反应谱分析

建立好山区整体式桥梁有限元模型后，按照反应谱法分析的一般步骤对结构物的地震响应进行分析，首先要提取出该山区整体式桥梁有限元模型的固有动力特性，提取固有动力特性的目的是进行模态求解，提取该山区整体式桥梁有限元模型模态的方法为兰索斯法（Block-lanczos）,提取出该模型的10 阶模态。然后进行谱分析求解，设置求解的模态阶数为10，激励方向为X 向和Y 向，按照表2 输入频率谱值，进行求解。再进行模态扩展，指定要扩展的阶数为10，进行求解。最后进行模态合并指定分析类型为谱分析，缺省时的谱分析类型为单点响应谱，指定模态合并方法为SRSS,进行最后的求解。得到该钢桁架梁桥在受地震激励下的图2 整体等效应力云图。

表2 频率- 谱值表

4 结论与建议

利用有限元分析软件ansys，对山区整体式桥梁在纵横共同地震作用下的响应规律进行了模拟分析。通过分析得到如下结论与建议：

图2 整体等效应力云图

4.1 从山区整体式桥梁受地震激励作用时的位移云图和等效应力云图可以看出：桥梁整体呈现出对称向上弯曲的形态，其中桥梁端部和桥梁中间部位在地震激励的作用下变形较大，因此，在进行山区整体式桥梁设计时，应该充分考虑该位置的材料，以及是否可以采取其它附加材料减轻该位置的变形程度。

4.2 利用有限元软件ANSYS 中的反应谱方法能很好地观察到整体式桥梁在受地震激励作用时的响应规律以及受力特点。

4.3 本研究只考虑了山区整体式桥梁受纵横共同地震作用下的响应分析，并没有考虑多点激励、地震反应谱不同及其它因素等影响，且对桥墩底部约束进行了简化，未考虑土- 结构的相互作用，模拟结果与实际情况有一定差距。若想清楚地认识山区整体式桥梁受纵横向共同地震作用下的响应规律，还需要丰富模型的工况、考虑土体对桥墩的约束影响以及必要的实验验证。