大跨度連續(xù)梁橋抗震性能分析

大跨度連續(xù)梁橋抗震性能分析

1梁抗震設(shè)計(jì)中有限元分析技術(shù)的應(yīng)用這座橋是該市的一個(gè)重要生命線項(xiàng)目。強(qiáng)烈地震不僅會(huì)導(dǎo)致交通中斷,而且會(huì)給災(zāi)后救援工作造成困難,加重次生災(zāi)害,導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失。汶川地震造成的巨大災(zāi)難揭露了大部分舊橋抗震能力的不足,警醒了橋梁工程界對(duì)橋梁抗震設(shè)計(jì)的重視,推動(dòng)了橋梁抗震技術(shù)的發(fā)展及相關(guān)規(guī)范的頒布。最新的《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》與《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》摒棄了《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》“以剛克剛”的彈性抗震設(shè)計(jì)思想,借鑒和引入了“以柔克剛”的延性抗震和隔震的概念,并對(duì)其技術(shù)操作規(guī)范化。先進(jìn)設(shè)計(jì)方法引進(jìn)的同時(shí)也增加了橋梁工程師對(duì)具有彈塑性分析功能有限元軟件的依賴程度。Midas和Sap2000以其豐富的單元種類和強(qiáng)大的彈塑性分析功能,成為國(guó)內(nèi)橋梁抗震分析應(yīng)用最為普及的兩款軟件。文獻(xiàn)分別使用Midas和Sap2000的反應(yīng)譜分析、塑性鉸彈塑性分析以及隔震支座單元用于橋梁的抗震設(shè)計(jì)。然而,這兩款有限元軟件在非線性元件的模擬、非線性求解算法上均存在差異,這些差異對(duì)地震作用分析結(jié)果有什么影響,已經(jīng)成為設(shè)計(jì)人員十分關(guān)切的問題。本文將圍繞上述問題,以MidasCivil和Sap2000作為計(jì)算平臺(tái),對(duì)同一座橋的線彈性反應(yīng)譜分析、延性設(shè)計(jì)彈塑性分析和隔震設(shè)計(jì)彈塑性分析進(jìn)行比較研究,為今后同類橋梁的抗震計(jì)算分析提供參考。2小箱梁樁的midas,sap200mt以下分析對(duì)象為一座3×30m的小箱梁連續(xù)梁橋。上部結(jié)構(gòu)為4片小箱梁,梁距3m;下部結(jié)構(gòu)蓋梁截面2m×2.5m,墩柱截面1.6m×2.5m,高度10m;承臺(tái)高度2m,樁基采用φ800鉆孔灌注樁,樁長(zhǎng)40m,樁中心距2.1m。小箱梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50,蓋梁C50,墩柱C40,承臺(tái)樁基C30。墩柱2.5m邊配筋25φ28,1.6m邊配筋16φ28,雙向各4φ16的箍筋。該橋的Midas和Sap2000有限元模型見圖1、圖2。模型中未直接建立桿系樁基單元,而是采用6×6剛度矩陣進(jìn)行模擬,剛度系數(shù)由m法計(jì)算得到。3線性彈性反應(yīng)譜分析的比較3.1種主要活動(dòng)支架加速度反應(yīng)譜按《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》的E1選取,其中,特征周期Tg=0.65s,Smax=0.1575,見圖3。制動(dòng)中墩設(shè)置雙向固定支座,其余中墩和邊墩設(shè)置順橋向活動(dòng)支座。前20階振型參與計(jì)算,并采用CQC組合方法。3.2綜合分析的結(jié)果在本橋使用的支座布局條件下,制動(dòng)墩在地震作用下反應(yīng)最大,以下分析結(jié)果均以制動(dòng)墩作為比較對(duì)象,見表1、表2。4延長(zhǎng)設(shè)計(jì)中的彈塑料分析4.1塑性鉸模型設(shè)置地震加速度時(shí)程數(shù)據(jù)按E2加速度反應(yīng)譜人工合成,峰值加速度為0.238g,時(shí)長(zhǎng)40s,時(shí)間間隔0.02s,見圖4。根據(jù)墩底軸壓力、墩柱縱筋與箍筋布置,通過Mander模型計(jì)算塑性鉸骨架曲線特征點(diǎn)的彎矩與轉(zhuǎn)角。采用武田四折線滯回模型。在各墩柱底部?jī)蓚€(gè)單元設(shè)置塑性鉸。各墩的彈塑性鉸特征值見表3~表5。4.2地震柱底彎矩制動(dòng)墩在地震作用下塑性發(fā)展最為顯著,以下分析結(jié)果均以制動(dòng)墩作為研究對(duì)象。(1)順橋向地震柱底彎矩時(shí)程曲線,見圖5。(2)順橋向地震柱底彎矩滯回曲線,見圖6、圖7。(3)橫橋向地震柱底彎矩時(shí)程曲線,見圖8。(4)橫橋向地震柱底彎矩滯回曲線,見圖9、圖10。(5)順橋向地震墩頂位移時(shí)程曲線,見圖11。(6)橫橋向地震墩頂位移時(shí)程曲線,見圖12。5雙曲面球型鋼三大裝置模型橋梁中常用的隔震支座有鉛芯橡膠支座、雙曲球面球型鋼支座,二者的水平剪力與位移關(guān)系均可簡(jiǎn)化為雙折線模型。本文采用鉛芯橡膠支座的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行隔震分析。5.1初始剛度和二次剛度鉛芯支座豎向剛度1×108kN/m,水平初始剛度10300kN/m,二次剛度系數(shù)0.155,水平屈服承載力67kN。同樣輸入圖4中E2水平的地震加速度。5.2彎矩與頂位移時(shí)程以下分析結(jié)果均以其中一個(gè)中墩作為研究對(duì)象。(1)順橋向地震柱底彎矩時(shí)程曲線,見圖13。(2)橫橋向地震柱底彎矩時(shí)程曲線,見圖14。(3)順橋向地震柱頂位移時(shí)程曲線,見圖15。(4)橫橋向地震柱頂位移時(shí)程曲線,見圖16。(5)順橋向地震支座剪力滯回曲線,見圖17、圖18。(6)橫橋向地震支座剪力滯回曲線,見圖19、圖20。6模型結(jié)果對(duì)比通過比較Midas與Sap2000對(duì)三跨連續(xù)梁橋的地震作用分析結(jié)果,得到以下結(jié)論:(1)對(duì)于線彈性反應(yīng)譜分析,二者的計(jì)算結(jié)果偏差不超過3%,說明這兩款軟件對(duì)彈性連接和剛性連接元件的模擬效果比較接近。(2)塑性鉸滯回模型的加載剛度與卸載剛度在Midas中均采用彈性,而Sap2000中均采用剛性,二者得到的彎矩—轉(zhuǎn)角滯回環(huán)形狀有所不同,但其變化規(guī)律比較接近。(3)在相同的塑性鉸參數(shù)設(shè)置條件下,二者計(jì)算得到的塑性鉸內(nèi)力、墩頂位移的變化趨勢(shì)分別相似,說明塑性鉸滯回模型處理上的差異對(duì)結(jié)構(gòu)整體反應(yīng)趨勢(shì)影響不大。(4)兩種軟件中鉛芯隔震元件的滯回模型相同