大跨度桥梁与中等跨径相比,因结构的空间性与复杂性,地震反应比较复杂,高阶振型的影响比较明显。目前大跨度桥梁的抗震设计还没有一个统一标准,国内规范没有对大跨度桥梁进行详细规定,抗震计算比较复杂。本文主要介绍了京津城际某大跨预应力混凝土连续梁墩身、基础部分的抗震计算。根据≤铁路工程抗震设计规范(修订)≥,运用midas有限元程序,采用反应谱分析方法计算地震力,以便为抗震设计提供依据。
本桥桥面系为无碴桥面预应力混凝土连续箱梁,其横截面为单箱单室截面,选取桥跨(40+64+40)m的预应力混凝土连续梁作为计算模型。混凝土采用C50,梁底下缘按二次抛物线变化;采双线圆端型桥墩,3号墩为制动墩,边墩简支梁固定支座设在4号墩。
图1 全桥模型
图2(a)边墩墩身尺寸 图2(b)主墩墩身尺寸
2、动态反应分析
(一)有限元模型建立
结构分析的第一步就是建立模型,模型建立的正确与否,简化的模型是否能反映结构真实的受力情况,直接影响计算结果的正确性。本算例运用桥梁有限元计算Midas civil 建立全桥动力模型,模型中主梁、桥墩、承台均采用空间梁单元进行模拟,梁墩之间采用刚性连接释放约束模拟,承台底采用一般弹性支承模拟,将地基及桩基础对结构的作用简化成纵横向转动弹簧施加在承台底,平动刚度以刚性考虑。
转动弹簧计算参数列表
表1 转动弹簧计算参数()
墩号 | 转动刚度 | |
纵桥向 | 横桥向 | |
1#墩 | 1.2E+08 | 2.27E+08 |
2#墩 | 3.44E+08 | 1.0E+09 |
3#墩 | 3.34E+08 | 9.11E+08 |
4#墩 | 1.2E+08 | 2.27E+08 |
计算模型
图3 计算模型
㈡ 抗震验算荷载的选取
连续梁全联质量和桥墩、承台质量通过定义结构自重向X、Y,Z方向转化。边跨简支梁质量,采用施加集中质量单元实现,纵桥向集中施加在4墩墩顶,质量大小为一跨简支梁的质量和二期恒载质量之和;横桥向施加在两边墩墩顶,质量取一跨简支梁的质量和二期恒载质量之和的一半。全梁二期恒载184KN/m。
活载取ZK列车活载进行验算,根据≤铁路工程抗震设计规范(修订)≥要求,对于Ⅰ、Ⅱ 级铁路,应分别按有车、无车进行计算,当桥上有车时,顺桥向不计活载引起的地震力,横桥向只计50%活荷载引起的地震力,作用点在轨顶以上2m处。需要分别对桥梁顺桥向及横桥向进行单独验算。
验算荷载列表
表2 验算荷载(KN)
墩号 | 墩顶支座反力 | ||||
连续梁恒载 | 连续梁活载 | 简支梁恒载 | 简支梁活载 | ||
1#墩 | 6616 | 3435 | 7254 | 2935 | |
2#墩 | 3525 | 9595 | |||
3#墩 | 3525 | 9595 | |||
4#墩 | 6616 | 3435 | 7254 | 2935 |
㈢ 自震特征值分析
图3建立的动力模型,由该模型计算得到桥梁的前100阶振型的频率和周期,同时给出了前10阶振型。由表3可以看出,桥梁基本频率为2.09Hz、基本周期为0.48s。基本振型为顺桥向振动,前几阶振型均为顺桥向和横桥向的整体振动。
表3 大桥前10阶自振频率及其振型描述
振型 | 自振频率 (Hz) | 自振周期 (s) | 振型描述 |
第一振型 | 2.09 | 0.48 | 全桥纵向振动,3号墩纵向弯曲振动 |
第二振型 | 2.29 | 0.44 | 梁体竖向对称振动,桥墩纵向弯曲振动 |
第三振型 | 2.67 | 0.37 | 4号边墩纵向弯曲振动 |
第四振型 | 2.90 | 0.34 | 梁体横向振动,桥墩横向弯曲振动 |
第五振型 | 3.38 | 0.30 | 梁体横向振动,桥墩横向弯曲振动 |
第六振型 | 4.10 | 0.24 | 梁体横向振动,桥墩横向弯曲振动 |
第七振型 | 4.17 | 0.24 | 梁体竖向反对称振动 |
第八振型 | 5.36 | 0.19 | 梁体竖向对称振动 |
第九振型 | 5.78 | 0.17 | 梁体横向振动,桥墩横向弯曲振动 |
第十振型 | 7.92 | 0.13 | 梁体横向振动,桥墩横向弯曲振动 |
图4(a) 第1阶振型 图4(b) 第2阶振型
图4(c) 第3阶振型 图4(d) 第4阶振型
图4(e) 第5阶振型 图4(f) 第6阶振型
图4(g) 第7阶振型 图4(h) 第8阶振型
图4(i) 第9阶振型 图4(j) 第10阶振型
㈣ 地震荷载计算
伴随着抗震理论的发展,各种抗震分析方法也不断出现在研究和设计领域。在结构设计中,我们需要确定用来进行内力组合及截面设计的地震作用值。通常采用底部剪力法,振型分解反应谱法,弹性时程分析方法来计算该地震作用值,这三种方法都是弹性分析方法。其中,底部剪力法最简便,适用于质量、刚度沿高度分布较均匀的结构。它的大致思路是通过估计结构的第一振型周期来确定地震影响系数,再结合结构的重力荷载来确定总的水平地震作用,然后按一定方式分配至各层进行结构设计。对较复杂的结构体系则宜采用振型分解反应谱法进行抗震计算,是根据振型叠加原理,将多自由度体系化为一系列单自由度体系的叠加,将各种振型对应的地震作用、作用效应以一定方式叠加起来得到结构总的地震作用、作用效应。而对于特别不规则和特别重要的结构,常常需要进行弹性时程分析,该方法为直接动力分析方法。本桥采用振型分解反应谱法。
⑴ 地震动反应谱分析
根据震规,桥梁结构的动力放大系数β曲线选取如下图形:
图5 动力放大系数β曲线
本桥设防烈度为7度,Ⅲ类场地,反应谱特征周期分区为二区,地震动反应谱特征周期Tg=0.55,设计地震动峰值加速度Ag=0.15g,多遇地震水平地震基本加速度α=0.05g,根据震规要求,对于特重要的桥梁,在多遇地震作用下,水平地震基本加速度α应乘重要性系数1.4。
① 纵桥向分析结果
纵桥向输入反应谱计算结果如图6所示
图6(a) 纵向输入面内弯矩图(单位:)
图6(b) 纵向输入面内剪力图(单位:)
② 横桥向分析结果
横桥向输入反应谱计算结果如图7所示,横桥向按照桥上“无车”情况计算。
图7(a) 横向输入面外弯矩图(单位:)
图7(b) 横向输入面外剪力图(单位:)
⑵ 内力汇总
各墩墩底及承台底的地震内力列于表4。
表4 无车时桥墩地震力荷载
墩号 | 纵向输入 | 横向输入 | ||
纵向弯矩() | 纵向剪力() | 横向弯矩() | 横向剪力() | |
1、4#墩墩底 | 17441 | 2082 | 26032 | 2325 |
1、4#墩承台底 | 25994 | 2193 | 35545 | 2431 |
2#墩墩底(制动墩) | 53764 | 9346 | 52699 | 4449 |
2#墩承台底(制动墩) | 111134 | 9719 | 80113 | 4709 |
3#墩墩底 | 1871 | 515 | 52536 | 4428 |
3#墩承台底 | 8324 | 1511 | 79804 | 4683 |
表5 有车时桥墩地震力荷载
墩号 | 纵向输入 | 横向输入 | ||
纵向弯矩() | 纵向剪力() | 横向弯矩() | 横向剪力() | |
1、4#墩墩底 | 17441 | 2082 | 28068 | 2535 |
1、4#墩承台底 | 25994 | 2193 | 38429 | 2643 |
2#墩墩底(制动墩) | 53764 | 9346 | 53316 | 4472 |
2#墩承台底(制动墩) | 111134 | 9719 | 80841 | 4727 |
3#墩墩底 | 1871 | 515 | 53196 | 4455 |
3#墩承台底 | 8324 | 1511 | 80601 | 4705 |
⑶ 结果分析
由表4至表5可以看出,纵桥向由制动墩承担了连续梁所有的纵向惯性力,因此纵桥向由制动墩控制设计,横桥向则由两个中墩共同承担了横向惯性力。
通过上述计算桥墩地震力计算结果发现,根据新修订的≤铁路工程抗震设计规范(修订)≥计算所得的地震力荷载与其他荷载的组合控制桥墩身的截面设计。
3、 小结
大跨度桥梁的抗震设计是一项综合性的工作,目前我国的桥梁抗震设计规范还很不完备,现行的铁路工程设计规范还是采用“强度设防”的概念,伴随着抗震理论的发展,我们要加强桥梁结构动力概念设计,选择较理想的抗震结构体系;延性对抗震来说是极其重要的一个性质,要重视延性抗震,要重视支撑连接部位的设计。采取有效抗震措施,进行正确有效的抗震设计,提高大跨度桥梁的抗震能力。