连续刚构桥V形墩叉角角度对地震反应的影响研究.pdf

39MuniciransportationaTianjin Construction Science and Technology2023年6 月市政与交通天津建设科技第33卷第3期连续刚构桥V形墩叉角角度对地震反应的影响研究周跃，全家欢，李灿1（1.中国建筑第八工程局西北分公司，陕西西安7 10 0 0 0；2.西安市政设计研究院有限公司，陕西西安7 10 0 6 8）【摘要】：为了研究连续刚构桥V形墩叉角角度对刚构桥动力及地震响应的影响，以实际工程为例，建立空间有限元分析模型，研究V形墩又角角度对桥梁结构振动性能的敏感性，利用线弹性时程法，分析不同V形墩角度变化对应的桥梁整体地震响应。计算结果表明，V形墩又角角度不同对桥墩底部内力值有一定影响，桥墩的抗震设计需要考虑V形墩叉角角度。【关键词】：钢构桥；地震响应；V形墩；叉角【中图分类号】：U448.23【文献标志码】：C【文章编号】：10 0 8-319 7(2 0 2 3)0 3-39-0 4【D O I 编码】:10.39 6 9/j.issn.1008-3197.2023.03.012Study on the Influence of V-shaped Piers V-angle on the Seismic Response ofContinuous Rigid Frame BridgeZHOU Yue,TONG Jiahuan,LI Can(1.Northwest Branch of China Construction Eighth Engineering Bureau Co.Ltd.,Xian 710000,China;2.Xian Municipal Engineering Design&Research Institute Co.Ltd.,Xian 710068,China)Abstract:In order to study the influence of V-shaped pier s V-angle on dynamic and seismic responses of continuousrigid frame bridge,the paper takes a bridge as an example,establishes the space finite element analysis mod-el to analysis the influence of V-piers V-angle parameters on the structural natural vibration characteristics,then adoptes liner elastic time history analysis method to deduce the effects of the V-shaped piers V-angleparameters on the seismic response of structure.The calculation shows that the difference in the angle of theV-shaped pier fork has a certain impact on the internal force values at the bottom and top of the bridge pier.Therefore,it is necessary to consider the impact of the V pier fork angle in the seismic design of the bridgepier.Key words:rigid frame bridg;seismic response;V-shaped pier;V angleV形墩在墩顶形成一定区域的刚域范围，使整个桥梁体系具有很强的整体性，在实际工程应用中较多 1-2 ,对V形墩桥梁结构的研究也很多。穆伟 3 通过建立有限元模型，分析了神木新区窟野河一号桥不同V形墩之间的受力差异及V形墩壁厚、基础刚度等因收稿日期：2 0 2 2-0 6-0 9作者简介：周跃（19 9 0），男，工程师，从事桥梁结构设计与理论研究工作素对受力的影响李宁 4 研究了某V形墩连续刚构结构位移和内力在地震作用下对不同V形墩角度的响应，表明V形墩角度对竖向位移影响最大、对内力的影响较为复杂；蔡隆文 5 通过改变V形墩刚度和桩土作用条件研究了桥墩刚度对结构受力的影响，研究表明优先选用底刚度的桥墩可降低桥墩内力，对刚度敏感的V形墩钢构桥桩土作用的影响不可忽略；石海峰 6 研究了在桥梁自重作用下V形墩角度对受力和变40天津建设科技第33卷第3期Municipal and TTransportation市政与交通形的影响，给出了角度变化时内力和变形的变化规律；郭威 7 分析了多跨拱形V墩刚构梁在结构转化、预应力基础形式及刚度的内力及变形，给出了相关的设计建议。然而，针对V形墩叉角角度变化对刚构桥动力特性和时程分析影响的研究较少，本文以实际工程为例，分析V形墩叉角角度变化对刚构桥动力特性和抗震性能的影响1工程概况某跨度为7 5m+110m+75m的变高度预应力混凝+V形墩连续刚构桥，中间两个V形墩与梁体固结。主梁为单箱室箱梁结构，采用挂篮悬臂法施工，顶板宽11m。横桥向设置1.5%的双向坡，翼缘板悬臂长2.2m，顶板厚0.36 m，底板厚度由桥墩处的0.5m变化至桥梁跨中的0.2 5m。纵桥向梁高变化曲线为圆弧线，根部梁高13m，跨中梁高2.4m；箱梁采用直腹板，板厚40 6 0 cm，箱梁底宽6.6 m。设计技术标准为公路-I级,基本烈度为7 度。见图1。750012001200110007500单位：m图1桥型布置同等条件下调整V形墩两侧支撑点的距离模拟不同V形型墩叉角角度，研究不同角度下桥梁的振动性能及动力响应，研究表明大部分V形墩叉角角度都在6 0 9 0 之间18 9,故本文中V形墩叉角角度分别取60、7 0 8 0.9 0 2计算模型采用有限元分析软件Midas/Civil分别建立不同分V形墩叉角的桥梁空间有限元梁单元分析模型。主梁和桥墩均离散为空间梁单元，采用软件自带的刚性连接实现墩梁固结。由于地质条件好，基岩埋深很浅且强度高，建立模型时假设墩底固结，不考虑桩-土共同作用。边墩支座释放X向的位移，其余方向均约束纵桥向为X轴，横桥向为Y轴，竖桥向为Z轴。见图2。图2桥梁有限元模型3模拟分析3.1自振特性分析根据有限元原理，结构的三维自由振动方程为K(x)-wM(x=0(1)式中：(x为结构的振型;w为特征值;M、【K 分别为结构的整体质量矩阵及整体刚度矩阵。将计算结果进行迭代计算，直到计算收敛至一个固定的数值便可以求得结构振动频率及相关的结构振型。结构本身的材料特性和结构刚度、质量分布规律及其约束条件决定了结构动力特性，结构的地震动力响应分析也以此参数为基础和前提。当结构自身的振动周期与地震的卓越周期耦合时，受到地震力的影响大。见表1。表1不同V形墩叉角角度的连续刚构桥自振特性Hz60708090阶次频率振型描述频率振型描述频率振型描述频率振型描述10.92桥墩纵弯主梁竖弯0.919主梁对称横弯0.90主梁对称横弯0.89主梁对称横弯20.93主梁对称横弯0.92桥墩纵弯主梁反对称竖弯0.91桥墩纵弯主梁反对称竖弯0.91主梁反对称竖弯31.4主梁反对称横弯1.39主梁反对称横弯1.36主梁反对称横弯1.35主梁反对称横弯41.68桥墩纵弯主梁对称竖弯1.67桥墩纵弯主梁对称竖弯1.65桥墩纵弯主梁对称竖弯1.65桥墩纵弯主梁对称竖弯52.19桥墩纵弯主梁反对称竖弯2.18桥墩纵弯主梁反对称竖弯2.18桥墩纵弯主梁对称竖弯2.18桥墩纵弯主梁对称竖弯62.41主梁对称横弯2.4主梁对称横弯2.38主梁对称横弯2.37主梁对称横弯72.52主梁对称竖弯2.58主梁对称竖弯2.67主梁对称竖弯2.72主梁对称竖弯83.96桥墩纵弯主梁反对称竖弯3.99桥墩纵弯主梁反对称竖弯3.98主梁反对称横弯3.96主梁反对称横弯94.03主梁反对称横弯4.02主梁反对称横弯4.02桥墩纵弯主梁反对称竖弯4.0桥墩纵弯主梁反对称竖弯104.67桥墩横弯主梁对称横弯4.64桥墩横弯主梁对称横弯4.58桥墩横弯主梁对称横弯4.54桥墩横弯主梁对称横弯由表1可以看出，V形墩叉角角度的不同导致结构振型不同。除6 0 时第1阶振型为沿着纵桥向振动外，其他几个角度下结构的第1阶振型均横向振动。见图3和图4。41Municipal and Tansportation周跃，等：连续刚构桥V形墩叉角角度对地震反应的影响研究第33卷第3期市政与交通a)正视b)俯视图360叉角时桥梁第1阶振型a)正视b)俯视图4708090叉角时桥梁第1阶振型8090与6 0 7 0 相比第8 阶和第9 阶振型序列发生了调换；而且随着叉角角度的增大，桥梁的各阶频率减小。见图5和图6。a)正视b)俯视图56070叉角时桥梁第8 阶振型a)正视b）俯视图66070叉角时桥梁振型第9 阶振型3.2地震响应分析时程分析法计算多自由度结构体系在地震作用下的运动方程为MI(6+C(8+K(8=-M,(8.-M,1 8,-M.1(8.式中：M为结构总质量矩阵；M,为水平x向质量矩阵；M,为水平y向质量矩阵；M.为竖向z向质量矩阵;C为结构阻尼矩阵;K为结构刚度矩阵；()、(8(8)分别为结构质点的加速度、速度及位移向量；8 为x向地震加速度；8 为向地震加速度；8.为z向地震加速度模型计算时采用线弹性时程分析法；阻尼为瑞利阻尼110 ，不计行波效应。抗震设防烈度为7 度，场地为II类，采用典型的过去强震记录，选择EI-Centro地震波，地震峰值加速度为0.356 9 g，需要对El-Centro地震波的峰值加速度进行调整，调整后的地震波峰值加速度为0.15g。见表2 和表3。表2纵向地震波下的响应弯矩/(kNm)主梁墩底角度/纵向边跨边跨中跨应力/墩底位移/跨中根部根部MPamm60203423359055022707250.73.454702025032.06954899804750.23.78480201843033554120892349.64.09390200972945453866931248.84.232表3横向地震波下的响应弯矩/(kNm)主梁墩底角度/横向（）边跨边跨中跨墩底位移应力/跨中根部根部MPamm602091315 051762928 23181.02.592702069816.0819.4172953179.92.711802043616 6709 60929.70078.22.716902034617880157192958477.82.7271)当纵向输入地震波时，不同叉角角度下上部结构主梁边跨跨中和中跨根部的弯矩值值基本保持不变，主梁边跨根部的弯矩值由6 0 时的3359 0 kNm变为9 0 时的2 9 454kNm，降幅为12%。当横向输人地震波时，不同叉角角度下边跨跨中的弯矩值基本保持不变，边跨根部弯矩值由6 0 时的150 51kNm增加为90时的17 8 8 0 kNm，增幅为19%；中跨根部的弯矩值由6 0 时的7 6 2 9 kNm增加为9 0 时的157 19 kNm，增幅为10 6%。由于叉角角度的增加，由V形墩和墩顶主梁形成的框架的刚度增大，约束了主梁的变形。叉角角度的增大对于桥梁的抗震总体上是不利的。2当纵向输人地震波时，墩底的弯矩值由6 0 时的7 0 7 2 kNm增加到9 0 时的9 312 kNm，增幅为32%；墩底应力由3.4MPa增加到4.2 MPa,增幅为23%。这主要是因为叉角角度的增大会增加桥墩的刚度，桥梁在地震作用下的纵向变形能力下降，从而导致桥墩底部的弯矩值增加。当横向输人地震时，墩底的弯矩值和应力值基本保持不变。3)对于主梁位移来说，纵向输人地震波时，主梁的纵向位移减小，差别为3.7%，横向输人地震波时，主梁的横向位移减小，差别为3.9%，V形墩叉角角度增42上接第2 3页）天津建设科技第33卷第3期Municipalaportationancans市政与交通大使主梁的位移减小。4结论1)V形墩叉角角度的改变对桥梁结构振型及动力特性影响较大，叉角角度为6 0 时的振动频率最大。2)横向地震波作用下，叉角角度的增加导致边跨根部与中跨根部截面相应的弯矩差值增大，中跨根部截面尤为明显，增幅达到10 6%；边跨跨中截面的弯矩值有所增加，但基本保持不变；不同V形墩叉角角度对于横向地震波的响应不大。3)纵向输人地震波时，墩底弯矩和应力值均有所增加，弯矩增幅32%，应力增幅2 3%。横向输入地震波时，墩底弯矩和应力基本保持不变。4）在纵横向地震波作用下，叉角角度对于主梁位移有所影响，但影响不大。5)V形墩大跨连续刚构桥地震响应最大值位于墩底截面，此截面是墩体受力最不利的位置，V形墩又角角度的不同对于桥墩的底部内力有一定的影响。因此，对于桥墩的抗震设计需要考虑V墩叉角角度的影响。表4水平影响范围差异m水平影响范围夯击次数能级2 0 0 0 kNm能级4 0 0 0 kNm01.242.0321.682.5642.363.1462.773.6583.444.22103.814.79124.025.31144.355.54164.625.75184.645.76204.655.76当夯击次数增加时，水平影响范围呈现出先急速后减缓增加的趋势且能级的增加也会导致影响范围的增加。由表3和表4可以断定，能级越高，累计夯沉量越大且其水平影响范围越大。16 次以内的夯击次数的增加，会导致夯击量以及水平影响范围的提高；16 次以上，夯击量和水平影响范围均不会有明显提高。3结语本文结合PDCA循环方法，设计了一种路基施工参考文献：1盛洪飞桥梁建筑美学 M.北京：人民交通出版社，2 0 0 9.2赵顺波,刘世明,杨竹林，等V型墩连续刚架桥的造型与结构方案设计研究 J河南大学学报，2 0 10,40(1)：10 1-10 4.3穆伟.矮墩大跨预应力V形连续刚构桥设计分析 J公路，2016,61(7):108-111.4李宁.墩身倾角变化对V腿连续刚构桥地震响应的影响J.交通科技,2 0 18,(6):39-42.5蔡隆文.小跨径V型刚构墩刚度对结构受力影响的研究 C.中国土木工程学会.中国土木工程学会2 0 19 年学术年会论文集.北京：中国建筑工业出版社，2 0 19：534-537.6石海峰.墩身倾角变化对V腿连续刚构桥受力性能的影响 J.中国水运（下半月），2 0 16，16（6）：2 49-2 50.7郭3威.多跨拱形V墩刚构桥梁设计及影响因素分析 J.福建交通科技,2 0 2 1，（7）：6 1-6 4+7 4.8宋桂峰，楼庄鸿，钟文香.我国的预应力混凝土V形支撑桥梁 J.公路交通科技，2 0 0 3，（2)：34-38.9吴刚.V形刚构桥梁的设计与研究 D.广州：华南理工大学,2 0 0 710王达,刘扬，陈敏海.超高墩大跨部分曲线连续刚构桥地震反应分析 J.公路交通科技,2 0 11,2 8（1)：7 4-7 9.11宋一凡.公路桥梁动力学 M.北京：人民交通出版社，2 0 0 0.质量控制方法。在计划、执行、核查、处理四个循环步骤的反复控制下，可以得到较好的含水率、压实率、孔隙率、固体体积率以及路基回弹模量，从而得到更好的道路施工质量。通过工程试验可以得知，路基施工过程中质量控制的差异标准，在16 次夯击次数时，能够得到最好的夯击量以及水平压缩范围。参考文献：1康寿平.公路工程路基施工质量控制的关键技术研究 J.科技创新与应用，2 0 2 2,12(2）：151-153.2张晓虎.简谈公路工程路基施工质量控制策略 J.大众标准化,2 0 2,(5):19-2 1.3李佳男，李涛，张西超.基于PDCA循环法的船舶建造质量管理研究 J.船舶物资与市场,2 0 2 2,30(2)：44-46.4李鑫，邓祥国，田春，等.基于PDCA循环在市政道路工程施工质量控制一J一一以成都天府国际机场航站区市政配套施工一标段为例 J.四川建筑，2 0 2 2,42（S1）：18 8-19 1.5李新春，孙佳男.浅谈东北地区盐渍土路段高速公路路基施工质量控制 J.公路，2 0 2 0,6 5（6)：146-149.