波形钢腹板箱梁高墩连续刚构桥抗震性能研究.pdf
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1、桥梁建设 年第 卷第期(总第 期)B r i d g eC o n s t r u c t i o n,V o l ,N o ,(T o t a l l yN o )收稿日期:基金项目:云南省交通运输厅科技项目(云交科教 号)P r o j e c to fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yP r o g r a mo fD e p a r t m e n to fT r a n s p o r to fY u n n a nP r o v i n c e(Y u n n a nT r a n s p o r t a t i o nS c i e n c
2、 ea n dE d u c a t i o n N o )作者简介:叶爱军,高级工程师,E m a i l:y e a i j u n c o m.研究方向:桥梁结构设计及施工管理.文章编号:()D O I:/j i s s n 波形钢腹板箱梁高墩连续刚构桥抗震性能研究叶爱军(中国铁建昆仑投资集团有限公司,四川 成都 )摘要:为了解波形钢腹板箱梁高墩连续刚构桥的抗震性能,以某最大墩高 m的波形钢腹板箱梁三跨连续刚构桥为背景进行有限元分析.采用A b a q u s软件建立该桥有限元模型,基于反应谱法分析其在E 和E 地震各向(横桥向、顺桥向、竖向)作用下的桥梁结构受力及变形性能,并与等效预应
3、力混凝土箱梁连续刚构桥模型的计算结果进行对比.结果表明:波形钢腹板箱梁连续刚构桥与等效预应力混凝土箱梁连续刚构桥的主梁沿地震输入方向上的位移大于其它个方向的位移,相较于等效预应力混凝土箱梁桥,波形钢腹板箱梁桥的抗震性能更优,但其边跨底板正应力更大,需要重点关注.关键词:连续刚构桥;波形钢腹板箱梁;高墩;反应谱法;位移;应力;地震响应;有限元法中图分类号:U ;U 文献标志码:AS e i s m i cP e r f o r m a n c eo fC o n t i n u o u sB o xG i r d e rB r i d g ew i t hC o r r u g a t e dS
4、 t e e lW e b sa n dH i g h R i s eP i e r sY EA i j u n(C h i n aR a i l w a yC o n s t r u c t i o nK u n l u nI n v e s t m e n tG r o u pC o,L t d,C h e n g d u ,C h i n a)A b s t r a c t:A t h r e e s p a n c o n t i n u o u sr i g i d f r a m e b r i d g e,f e a t u r i n gt h e b o x g i r d
5、e r s w i t hc o r r u g a t e ds t e e lw e b sa n d m a x i m u m p i e rh e i g h to f m,i su s e da sac a s et os t u d yt h es e i s m i cp e r f o r m a n c eo f t h eb o xg i r d e rc o n t i n u o u sr i g i d f r a m eb r i d g ew i t hc o r r u g a t e ds t e e lw e b sa n dh i g h r i s e
6、p i e r s T h e f i n i t ee l e m e n tm o d e l o f t h eb r i d g ew a se s t a b l i s h e d i nA b a q u s t oa n a l y z et h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n dd e f o r m a t i o no f t h eb r i d g es t r u c t u r eu n d e rE a n dE e a r t h q u a k e s(t r a n s v e r s e,l o n
7、 g i t u d i n a la n dv e r t i c a ls e i s m i cf o r c e s),u s i n gt h er e s p o n s es p e c t r u m m e t h o d T h es i m u l a t e dr e s u l t s w e r ec o m p a r e d w i t ht h ec a l c u l a t e d r e s u l t s b a s e d o n a n e q u i v a l e n t p r e s t r e s s e d,b o x g i r d
8、e r c o n t i n u o u s r i g i d f r a m e b r i d g e m o d e l A s p e r t h e a n a l y s i s,t h ed i s p l a c e m e n t so f t h eb o xg i r d e r c o n t i n u o u s r i g i d f r a m eb r i d g ew i t hc o r r u g a t e ds t e e lw e b sa n dt h ee q u i v a l e n t p r e s t r e s s e d,c
9、o n c r e t e b o x g i r d e rc o n t i n u o u sr i g i d f r a m e b r i d g ea l o n gt h es e i s m i cf o r c e s i n p u td i r e c t i o na r eg r e a t e rt h a nt h o s ea l o n gt h eo t h e rt w od i r e c t i o n s C o m p a r e dw i t ht h ec o n c r e t eb o xg i r d e rb r i d g e,t
10、h e s e i s m i cp e r f o r m a n c eo f t h eb o xg i r d e rw i t hc o r r u g a t e ds t e e lw e b si sb e t t e r,b u t t h en o r m a l s t r e s s e s i nt h es o f f i t so f t h es i d es p a n sa r eg r e a t e r,w h i c hs h o u l db eg i v e np a r t i c u l a rc o n c e r nK e yw o r d
11、 s:c o n t i n u o u sr i g i d f r a m eb r i d g e;b o xg i r d e rw i t hc o r r u g a t e ds t e e lw e b;h i g h r i s ep i e r;r e s p o n s es p e c t r u m m e t h o d;d i s p l a c e m e n t;s t r e s s;s e i s m i c r e s p o n s e;f i n i t ee l e m e n tm e t h o d波形钢腹板箱梁高墩连续刚构桥抗震性能研究叶爱军
12、引言波形钢腹板箱梁是在常规混凝土腹板箱梁的基础上,采用波形钢腹板替代混凝土腹板的新型组合结构 .当桥梁跨度超过 m时,波形钢腹板箱梁桥较常规混凝土腹板箱梁桥具有自重小、耐久性好、施工方便等优势,具有广阔的应用前景 .为了解波形钢腹板箱梁桥在地震高发区的适用性,需对其抗震性能进行研究.M o o n等通过试验和有限元分析相结合的方法对波形钢腹板箱梁桥的固有频率进行研究,得到体内及体外预应力对桥梁结构动力特性的影响很小,可以忽略不计;W a n g等采用M I D A SC i v i l软件分析波形钢腹板连续刚构桥的动力特性,得到在地震作用下,波形钢腹板箱梁可以像手风琴一样纵向变形,消耗一定的地
13、震能量,减少结构破坏.王思豪等通过拟静力试验研究内衬混凝土和焊接加劲肋种方式对波形钢腹板组合梁抗震性能的影响,得到地震高发区选用内衬混凝土的波形钢腹板组合梁效果更佳.张英治等以林家坝大桥为例,采用M I D A SC i v i l软件分别建立波形钢腹板箱梁和常规混凝土箱梁种形式的桥梁有限元模型进行地震响应研究,得到地震作用下,相对常规混凝土箱梁桥,波形钢腹板箱梁桥桥墩的弯矩和轴力均有较大幅度的减小,结构抗震能力明显提高.桂水荣等以紫金大桥为例,建立有限元模型研究该桥的动力特性,得到增加横向约束能有效提高大跨度波形钢腹板箱梁桥的横向抗弯刚度,端部支座的约束效果比中间支座好.郑涛 通过对波形钢腹
14、板连续梁和等效混凝土腹板连续梁开展地震模拟振动台试验,测得波形钢腹板试验梁的地震响应更小,更有利于抗震.J i a n g等 通过对比波形钢腹板P C箱梁桥和普通混凝土箱梁桥力学性能,发现波形钢腹板箱梁的竖向和横向位移略小于普通混凝土腹板箱梁.M a t h u r等 通过比较波形钢腹板的不同波纹角度对波形钢腹板组合梁桥抗震性能的影响,发现角度越小,静力性能越好,但自振频率越高.然而,以往的研究主要集中在几何参数分析、不同分析方法及不同地震作用下波形钢腹板箱梁桥的动力响应特征 ,抗震计算主要针对的是中小震的情况,鲜见考虑较大地震作用的影响,且少有针对波形钢腹板箱梁高墩连续刚构桥的相关研究.鉴于
15、此,本文以某波形钢腹板箱梁高墩连续刚构桥为背景,采用A b a q u s软件建立该桥有限元模型,根据 公路桥梁抗震设计规范(J T G/T )设计加速度反应谱分别计算该桥在E、E 地震各向作用下的动力特征,并与等效预应力混凝土箱梁连续刚构桥计算结果进行对比,对波形钢腹板箱梁高墩连续刚构桥的抗震性能进行研究,为该类桥梁在地震高发区的应用提供一定的借鉴.工程背景某波形钢腹板箱梁高墩连续刚构桥跨径布置为()m,见图.该桥主梁采用变截面单箱单室波形钢腹板混凝土组合箱梁(图).桥面采用单向横坡.混凝土顶板宽 m,底板宽 m,两侧悬臂至外侧波形钢腹板中心线长度为 m.跨中截面中心线处箱梁顶板厚 mm,底
16、板厚 mm,波形钢腹板上翼缘厚 mm、下翼缘厚 mm.中支点左、右 m范围内波形钢腹板厚 mm,在该范围外向两侧延伸的方向上波形钢腹板厚度依次为、mm.两主墩采用双肢墩,墩高分别为 、m.主梁采用C 混凝土,桥墩采 用C 混凝土,波形 钢腹板采用Q C钢.桥址抗震设防烈度为度,设计基本地震动峰值加速度为 g,抗震设防等级为度.图桥梁立面布置F i g E l e v a t i o nV i e wo fB r i d g e图波形钢腹板箱梁中支点处横截面F i g C r o s s S e c t i o no fB o xG i r d e rw i t hC o r r u g a t
17、 e dS t e e lW e b sa t I n t e r m e d i a t eS u p p o r t桥梁建设B r i d g eC o n s t r u c t i o n ,()有限元模型采用A b a q u s软件建立该波形钢腹板箱梁高墩连续刚构桥(以下简称“波形钢腹板箱梁桥”)全桥有限元模型,见图(a),顶板和底板混凝土采用S o l i d单元模拟,波形钢腹板采用S h e l l单元模拟.不同混凝土部件采用“t i e”关系连接,波形钢腹板及其上、下翼缘与混凝土之间的连接关系采用耦合模拟.两主墩采用固定支座,约束所有自由度,两边墩采用活动支座,约束横桥向和竖
18、向自由度 .建立等效预应力混凝土箱梁连续刚构桥(以下简称“等效混凝土箱梁桥”)有限元模型进行对比,见图(b).由于腹板主要承担剪力,等效原则为波形钢腹板与混凝土腹板能够承受相同强度的剪力,根据该等效原则将波形钢腹板替换成混凝土腹板,波形钢腹板厚度、mm对应的混凝土腹板厚度分别为 、mm,采用线性方式连接混凝土腹板,其余参数保持不变.计算得等效混凝土箱梁桥和波形钢腹板箱梁桥质量相差 .图箱梁桥模型F i g F i n i t eE l e m e n tM o d e l o fB o xG i r d e rB r i d g e选取个主梁关键截面(图,边支点、边跨跨中、中支点、中跨跨中)进
19、行地震响应分析.每个关键截面选取个典型特征点(图,顶板边缘、顶板中点、底板边缘、底板中点),以下均取截面中特征点位移最大值进行研究.图关键截面位置F i g L o c a t i o n so fK e yC r o s s S e c t i o n s结构地震响应根据 公路桥梁抗震设计规范,该桥采用两水准设防、两阶段设计,采用B类桥梁的抗震设计要求,即E 地震作用下桥梁结构仍然处于弹性阶段,E 地震作用下结构具有足够的延性变形能力,并且图断面特征点位置F i g L o c a t i o n so fC r o s s S e c t i o n a lF e a t u r eP o
20、 i n t s确保塑性铰的位置在选定位置出现,不发生剪切破坏等.为确保结构计算的有效性,选择前 阶振型进行地震反应谱分析计算,以满足规范关于抗震分析中X向(横桥向)、Y向(顺桥向)、Z向(竖向)个方向的振型参与质量大于 的要求.加速度反应谱参数的确定分别单独计算X向、Y向与Z向地震作用产生的最大效应Ei X、Ei Y、Ei Z(i,),则总设计最大地震作用效应Ei计算公式为:EiEi XEi YEi Z()设计加速度反应谱S(T)计算公式为:S(T)Sm a x(T/T)TTSm a xTTTgSm a x(Tg/T)TgT()式中,T为周期(s);T为反应谱直线上升段最大周期,取 s;Tg
21、为特征周期(s),根据场地类别,水平向特征周期取 s,竖向特征周期取 s;Sm a x为设计加速度反应谱的最大值,Sm a x CiCsCdA;Ci为抗震重要性系数,E 地震作用下取 ,E 地震作用下取;Cs为场地系数,水平向(X向、Y向)取 ,竖向(Z向)取;Cd为阻尼调整系数,取;A为水平向基本地震动峰值加速度,该地区取 g.设计加速度反应谱S(T)曲线见图.图设计加速度反应谱曲线F i g R e s p o n s eS p e c t r u mC u r v eo fD e s i g nA c c e l e r a t i o n波形钢腹板箱梁高墩连续刚构桥抗震性能研究叶爱军经
22、计算,E 地震作用下水平设计加速度反应谱最大值Sm a x g,竖向设计加速度反应谱最大值Sm a x g;E 地震作用下水平设计加速度反应谱最大值Sm a x g,竖向设计加速度反应谱最大值Sm a x g.将此加速度反应谱结果作为桥梁X、Y、Z向个方向的地震作用输入参数.地震响应计算结果分析 E 地震作用()E 地震横桥向作用下结构变形.E 地震横桥向作用下桥梁发生整体变形,其横桥向整体变形见图.由图可知:E 地震横桥向作用下,波形钢腹板箱梁桥和等效混凝土箱梁桥均发生横桥向弯曲变形;波形钢腹板箱梁桥横桥向最大位移约为 c m,等效混凝土箱梁桥横桥向最大位移约为 c m,均发生在桥梁中跨位置
23、.经计算,波形钢腹板箱梁桥竖向最大位移约为 c m,等效混凝土箱梁桥竖向最大位移约为 c m,均发生在中跨顶板边缘.波形钢腹板箱梁桥顺桥向最大位移约为 c m,等效混凝土箱梁桥顺桥向最大位移约为 c m,均发生在边跨顶板边缘.波形钢腹板箱梁桥和等效混凝土箱梁桥的变形基本一致,基本集中在横桥向,跨中位移最大,两端较小,波形钢腹板箱梁桥横桥向位移相对较小.图E 地震横桥向作用下桥梁横桥向整体变形F i g O v e r a l lD e f o r m a t i o no fB r i d g e i nT r a n s v e r s eD i r e c t i o nu n d e r
24、T r a n s v e r s eE n e r g yo fE E a r t h q u a k e s()E 地震顺桥向作用下结构变形.E 地震顺桥向作用下桥梁发生整体变形,其顺桥向整体变形见图.由图可知:E 地震顺桥向作用下,种桥型均发生顺桥向侧移.波形钢腹板箱梁桥顺桥向最大位移约为 c m,等效混凝土箱梁桥顺桥向最大位移约为 c m,均为整个主梁向高墩方向偏移.经计算,波形钢腹板箱梁桥横桥向最大 位 移 约 为 c m,发 生 在 边 跨 钢 腹 板 位置;等 效 混 凝 土 箱 梁 桥 横 桥 向 最 大 位 移 约 为 c m,发生在中跨靠近桥墩的腹板混凝土.波形钢腹板箱梁桥
25、竖向最大位移约为 c m,等效混凝土箱梁竖向最大位移约为 c m,均发生在中跨跨中偏向低墩方向.波形钢腹板箱梁桥和等效混凝土箱梁桥的变形基本集中在顺桥向,发生在整个主梁,波形钢腹板箱梁桥位移相对较小.图E 地震顺桥向作用下桥梁顺桥向整体变形F i g O v e r a l lD e f o r m a t i o no fB r i d g e i nL o n g i t u d i n a lD i r e c t i o nu n d e rL o n g i t u d i n a lE n e r g yo fE E a r t h q u a k e s()E 地震竖向作用下结构
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