中低設(shè)防烈度地區(qū)全無縫橋梁抗震性能分析

1、<p>　　中低設(shè)防烈度地區(qū)全無縫橋梁抗震性能分析</p><p>　　摘要：為了準(zhǔn)確地模擬接線路面特性，對(duì)其荷載變形和損傷進(jìn)行了分析，提出了接線路面板集中彈簧簡化模型.基于此，采用SAP2000建立了某座全無縫橋梁動(dòng)力計(jì)算模型.對(duì)該橋進(jìn)行了模態(tài)分析和地震時(shí)程分析，并與對(duì)應(yīng)連續(xù)梁橋進(jìn)行了對(duì)比分析；同時(shí)還進(jìn)行了橋長和接線路面剛度敏感性分析.研究結(jié)果表明：中低設(shè)防烈度地區(qū)，全無縫橋梁的地震響應(yīng)只有連續(xù)梁橋的

2、24%～35%，主橋處于彈性無損狀態(tài).可見，全無縫橋梁能大幅提升中低烈度地區(qū)公路中小橋梁的抗震性能. </p><p>　　關(guān)鍵詞：地震響應(yīng)；半整體式全無縫橋梁；接線路面；地震設(shè)防烈度；時(shí)程分析 </p><p>　　中圖分類號(hào)：U442.55 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A </p><p>　　為了掌握這一新型半整體式橋梁的振動(dòng)和地震響應(yīng)特點(diǎn)，本文以一座已建半整體式全無縫橋?yàn)楣?/p>

3、程背景，提出接線路面板拉伸荷載變形簡化力學(xué)模型，建立全無縫橋梁彈性動(dòng)力有限元模型；對(duì)全無縫橋梁及相應(yīng)連續(xù)梁橋進(jìn)行了自振特性和地震響應(yīng)的對(duì)比分析，同時(shí)還進(jìn)行了抗震性能參數(shù)敏感性分析，并對(duì)應(yīng)用于中低設(shè)防烈度地區(qū)（6，7度）的全無縫橋梁的抗震性能進(jìn)行了評(píng)估. </p><p>　　質(zhì)量的形式集中到搭板末端；板式橡膠支座采用三向剛度彈性連接單元模擬；樁土相互作用采用節(jié)點(diǎn)彈性單元模擬；樁基底部固結(jié).采用集中質(zhì)量法考慮質(zhì)量矩

4、陣.時(shí)程分析時(shí)，模型采用瑞利阻尼.為了比較連續(xù)梁橋改進(jìn)為全無縫梁橋后動(dòng)力性能的變化，本文還建立了該橋?qū)?yīng)的連續(xù)梁橋模型. </p><p><b>　　2.3分析結(jié)果 </b></p><p>　　基于上述有限元計(jì)算模型，采用子空間迭代法，計(jì)算了該全無縫橋和其對(duì)應(yīng)連續(xù)梁橋前50階振型.取前10階頻率和振型特征示于表2.由結(jié)果可知：全無縫橋梁和連續(xù)梁橋的振型和頻率非常類

5、似.振型方面：第一振型都是縱橋向漂移，而且其它各階振型及出現(xiàn)順序基本一致.頻率方面：除了第一階固有頻率相差很大外（全無縫橋型/連續(xù)梁橋型=2.2倍），其它各階頻率基本一致.可見，全無縫橋梁的接線路面對(duì)主梁縱向振動(dòng)影響很大，對(duì)豎向振動(dòng)基本無影響. </p><p>　　全無縫橋梁和連續(xù)梁橋第一階振型參與質(zhì)量都很高：分別為91.42%和88.95%.可見全無縫橋梁縱橋向振動(dòng)也是以第一階縱漂振動(dòng)為主. </p&g

6、t;<p>　　全無縫橋梁橋墩的最大彎矩及對(duì)應(yīng)剪力響應(yīng)都為連續(xù)梁橋的35%，且都遠(yuǎn)小于彈性抗力極限值；而連續(xù)梁橋在大震作用下，橋墩最大彎矩達(dá)到2 709 kN?m>橋墩的初始屈服彎矩2 633 kN?m.可見，全無縫橋梁能有效地降低縱橋向橋墩的損壞，即使在7度地區(qū)大震作用下橋墩依然處于彈性狀態(tài)，而連續(xù)梁橋的橋墩則會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的開裂. </p><p>　　由于全無縫橋梁的搭板與主梁結(jié)構(gòu)連續(xù)，

7、在地震和溫度等荷載作用下都會(huì)引起邊跨主梁一定的附加彎矩.本文地震引起的全無縫橋梁邊跨跨中彎矩為59～180 kN?m，雖是連續(xù)梁橋的4.5倍，但只有對(duì)應(yīng)自重引起彎矩（943 kN?m）的6%～19%（也遠(yuǎn)小于活載的響應(yīng)）.可見，中低設(shè)防烈度地區(qū)，接線路面引起的邊跨主梁的附加彎矩對(duì)主梁影響很小，不會(huì)造成損傷. </p><p><b>　　4參數(shù)敏感性分析 </b></p>&l

8、t;p><b>　　4.1主梁長度 </b></p><p>　　全無縫橋梁一般都是在標(biāo)準(zhǔn)跨徑（如20 m標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力空心板）簡支梁橋的基礎(chǔ)上，通過主橋先簡支后橋面連續(xù)及接線結(jié)構(gòu)無縫化的方法來實(shí)現(xiàn)路橋全無縫.現(xiàn)已建成的全無縫橋梁橋長主要為2×20 m，3×20 m，4×20 m和5×20 m.為了全面掌握各種橋長的全無縫橋梁在中低設(shè)防烈度地區(qū)的地震

9、響應(yīng)情況，分別對(duì)上述4種橋長的全無縫橋梁進(jìn)行了時(shí)程分析.計(jì)算模型以2.2中全橋計(jì)算模型為基準(zhǔn)，僅僅把主橋改設(shè)為2×20 m，3×20 m，4×20 m和5×20 m 4種情況.接線路面剛度、地震荷載等保持不變.計(jì)算結(jié)果如表4所示，小震、中震和大震分別用X，Z，D表示.從分析結(jié)果可以看出： </p><p>　　隨著主梁長度的增加，全無縫橋梁的位移變形響應(yīng)和內(nèi)力響應(yīng)都呈增加趨

10、勢(shì)，且位移變形響應(yīng)的增幅要大于內(nèi)力響應(yīng)的增幅.然而，地震響應(yīng)最大的5×20 m全無縫橋梁的橋墩、主梁、支座都處在彈性抗力范圍內(nèi)，主梁最大位移也僅有11.0 mm，不會(huì)沖撞橋臺(tái). </p><p>　　隨著主梁長度的增加，接線路面的變形也越來越大.除了各級(jí)地震作用下的2×20 m全無縫橋和小震作用下的4種典型橋長全無縫橋的接線路面變形 （即主梁位移）落在性能區(qū)間1，瀝青混凝土路面都是平順無損的；

11、其它情況都落在性能區(qū)間2，接線路面板路面層會(huì)出現(xiàn)細(xì)裂縫，但震后會(huì)彈性閉合，同時(shí)地錨與路交界處的路面可能出現(xiàn)開裂現(xiàn)象. </p><p>　　4.2接線路面剛度 </p><p>　　從前面的模態(tài)分析和地震響應(yīng)分析可以看出，接線路面的剛度對(duì)全無縫橋梁的振動(dòng)影響很大.本部分僅將2.2中全橋計(jì)算模型的接線路面剛度（單位：kN/m）設(shè)置成如表5所示的9種等級(jí)進(jìn)行時(shí)程分析，地震荷載同前.從表5的計(jì)算

12、結(jié)果，可以看出： </p><p>　　隨著接線路面剛度的增加，主梁縱橋向位移、支座變形、墩底最大彎矩及對(duì)應(yīng)剪力都顯著遞減.可見，增大接線路面剛度能有效地減小全無縫橋梁全橋的位移響應(yīng)和橋墩的內(nèi)力響應(yīng)，是控制落梁、支座破壞、橋臺(tái)沖剪和橋墩損傷的最有效措施. </p><p>　　當(dāng)接線路面每延米寬的剛度增大到100 000 kN/m時(shí)橋墩的內(nèi)力響應(yīng)出現(xiàn)最小值，再增大剛度響應(yīng)反而會(huì)小幅升高.可

13、見，即使不考慮經(jīng)濟(jì)效益，通過一味地增大接線路面剛度來增強(qiáng)全無縫橋梁抗震性能也是不合理的. </p><p>　　隨著接線路面剛度的增加，邊跨主梁彎矩響應(yīng)呈先增大后減小的趨勢(shì).峰值彎矩為360 kN?m，僅為邊跨自重彎矩（943 kN?m）的38%，也遠(yuǎn)小于活載彎矩.可見，中低設(shè)防烈度地區(qū)，接線路面引起的邊跨主梁彎矩不會(huì)造成主梁損傷. </p><p>　　無論在何種接線路面剛度情況下，隨著

14、地震作用的增大，各項(xiàng)地震響應(yīng)都會(huì)增大.因此，選擇合理接線路面剛度時(shí)，還應(yīng)考慮橋址地震大小情況. </p><p>　　由于接線路面剛度=接線路面板剛度+地錨剛度，且常規(guī)設(shè)計(jì)完成后，接線路面板的剛度隨之確定，所以唯有通過增強(qiáng)地錨剛度的方式來增大接線路面剛度，最終達(dá)到增強(qiáng)全無縫橋梁的抗震性能. 　　摘要：為了準(zhǔn)確地模擬接線路面特性，對(duì)其荷載變形和損傷進(jìn)行了分析，提出了接線路面板集中彈簧簡化模型.基于此，采用SAP2

15、000建立了某座全無縫橋梁動(dòng)力計(jì)算模型.對(duì)該橋進(jìn)行了模態(tài)分析和地震時(shí)程分析，并與對(duì)應(yīng)連續(xù)梁橋進(jìn)行了對(duì)比分析；同時(shí)還進(jìn)行了橋長和接線路面剛度敏感性分析.研究結(jié)果表明：中低設(shè)防烈度地區(qū)，全無縫橋梁的地震響應(yīng)只有連續(xù)梁橋的24%～35%，主橋處于彈性無損狀態(tài).可見，全無縫橋梁能大幅提升中低烈度地區(qū)公路中小橋梁的抗震性能. </p><p>　　關(guān)鍵詞：地震響應(yīng)；半整體式全無縫橋梁；接線路面；地震設(shè)防烈度；時(shí)程分析 &l

16、t;/p><p>　　中圖分類號(hào)：U442.55 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A </p><p>　　為了掌握這一新型半整體式橋梁的振動(dòng)和地震響應(yīng)特點(diǎn)，本文以一座已建半整體式全無縫橋?yàn)楣こ瘫尘?，提出接線路面板拉伸荷載變形簡化力學(xué)模型，建立全無縫橋梁彈性動(dòng)力有限元模型；對(duì)全無縫橋梁及相應(yīng)連續(xù)梁橋進(jìn)行了自振特性和地震響應(yīng)的對(duì)比分析，同時(shí)還進(jìn)行了抗震性能參數(shù)敏感性分析，并對(duì)應(yīng)用于中低設(shè)防烈度地區(qū)（6，7度）的全無

17、縫橋梁的抗震性能進(jìn)行了評(píng)估. </p><p>　　質(zhì)量的形式集中到搭板末端；板式橡膠支座采用三向剛度彈性連接單元模擬；樁土相互作用采用節(jié)點(diǎn)彈性單元模擬；樁基底部固結(jié).采用集中質(zhì)量法考慮質(zhì)量矩陣.時(shí)程分析時(shí)，模型采用瑞利阻尼.為了比較連續(xù)梁橋改進(jìn)為全無縫梁橋后動(dòng)力性能的變化，本文還建立了該橋?qū)?yīng)的連續(xù)梁橋模型. </p><p><b>　　2.3分析結(jié)果 </b>&

18、lt;/p><p>　　基于上述有限元計(jì)算模型，采用子空間迭代法，計(jì)算了該全無縫橋和其對(duì)應(yīng)連續(xù)梁橋前50階振型.取前10階頻率和振型特征示于表2.由結(jié)果可知：全無縫橋梁和連續(xù)梁橋的振型和頻率非常類似.振型方面：第一振型都是縱橋向漂移，而且其它各階振型及出現(xiàn)順序基本一致.頻率方面：除了第一階固有頻率相差很大外（全無縫橋型/連續(xù)梁橋型=2.2倍），其它各階頻率基本一致.可見，全無縫橋梁的接線路面對(duì)主梁縱向振動(dòng)影響很大，對(duì)

19、豎向振動(dòng)基本無影響. </p><p>　　全無縫橋梁和連續(xù)梁橋第一階振型參與質(zhì)量都很高：分別為91.42%和88.95%.可見全無縫橋梁縱橋向振動(dòng)也是以第一階縱漂振動(dòng)為主. </p><p>　　全無縫橋梁橋墩的最大彎矩及對(duì)應(yīng)剪力響應(yīng)都為連續(xù)梁橋的35%，且都遠(yuǎn)小于彈性抗力極限值；而連續(xù)梁橋在大震作用下，橋墩最大彎矩達(dá)到2 709 kN?m>橋墩的初始屈服彎矩2 633 kN?m.

20、可見，全無縫橋梁能有效地降低縱橋向橋墩的損壞，即使在7度地區(qū)大震作用下橋墩依然處于彈性狀態(tài)，而連續(xù)梁橋的橋墩則會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的開裂. </p><p>　　由于全無縫橋梁的搭板與主梁結(jié)構(gòu)連續(xù)，在地震和溫度等荷載作用下都會(huì)引起邊跨主梁一定的附加彎矩.本文地震引起的全無縫橋梁邊跨跨中彎矩為59～180 kN?m，雖是連續(xù)梁橋的4.5倍，但只有對(duì)應(yīng)自重引起彎矩（943 kN?m）的6%～19%（也遠(yuǎn)小于活載的響應(yīng)）.可

21、見，中低設(shè)防烈度地區(qū)，接線路面引起的邊跨主梁的附加彎矩對(duì)主梁影響很小，不會(huì)造成損傷. </p><p><b>　　4參數(shù)敏感性分析 </b></p><p><b>　　4.1主梁長度 </b></p><p>　　全無縫橋梁一般都是在標(biāo)準(zhǔn)跨徑（如20 m標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力空心板）簡支梁橋的基礎(chǔ)上，通過主橋先簡支后橋面連續(xù)及接線

22、結(jié)構(gòu)無縫化的方法來實(shí)現(xiàn)路橋全無縫.現(xiàn)已建成的全無縫橋梁橋長主要為2×20 m，3×20 m，4×20 m和5×20 m.為了全面掌握各種橋長的全無縫橋梁在中低設(shè)防烈度地區(qū)的地震響應(yīng)情況，分別對(duì)上述4種橋長的全無縫橋梁進(jìn)行了時(shí)程分析.計(jì)算模型以2.2中全橋計(jì)算模型為基準(zhǔn)，僅僅把主橋改設(shè)為2×20 m，3×20 m，4×20 m和5×20 m 4種情況.接線路面

23、剛度、地震荷載等保持不變.計(jì)算結(jié)果如表4所示，小震、中震和大震分別用X，Z，D表示.從分析結(jié)果可以看出： </p><p>　　隨著主梁長度的增加，全無縫橋梁的位移變形響應(yīng)和內(nèi)力響應(yīng)都呈增加趨勢(shì)，且位移變形響應(yīng)的增幅要大于內(nèi)力響應(yīng)的增幅.然而，地震響應(yīng)最大的5×20 m全無縫橋梁的橋墩、主梁、支座都處在彈性抗力范圍內(nèi)，主梁最大位移也僅有11.0 mm，不會(huì)沖撞橋臺(tái). </p><p&

24、gt;　　隨著主梁長度的增加，接線路面的變形也越來越大.除了各級(jí)地震作用下的2×20 m全無縫橋和小震作用下的4種典型橋長全無縫橋的接線路面變形 （即主梁位移）落在性能區(qū)間1，瀝青混凝土路面都是平順無損的；其它情況都落在性能區(qū)間2，接線路面板路面層會(huì)出現(xiàn)細(xì)裂縫，但震后會(huì)彈性閉合，同時(shí)地錨與路交界處的路面可能出現(xiàn)開裂現(xiàn)象. </p><p>　　4.2接線路面剛度 </p><p>

25、;　　從前面的模態(tài)分析和地震響應(yīng)分析可以看出，接線路面的剛度對(duì)全無縫橋梁的振動(dòng)影響很大.本部分僅將2.2中全橋計(jì)算模型的接線路面剛度（單位：kN/m）設(shè)置成如表5所示的9種等級(jí)進(jìn)行時(shí)程分析，地震荷載同前.從表5的計(jì)算結(jié)果，可以看出： </p><p>　　隨著接線路面剛度的增加，主梁縱橋向位移、支座變形、墩底最大彎矩及對(duì)應(yīng)剪力都顯著遞減.可見，增大接線路面剛度能有效地減小全無縫橋梁全橋的位移響應(yīng)和橋墩的內(nèi)力響應(yīng)，

26、是控制落梁、支座破壞、橋臺(tái)沖剪和橋墩損傷的最有效措施. </p><p>　　當(dāng)接線路面每延米寬的剛度增大到100 000 kN/m時(shí)橋墩的內(nèi)力響應(yīng)出現(xiàn)最小值，再增大剛度響應(yīng)反而會(huì)小幅升高.可見，即使不考慮經(jīng)濟(jì)效益，通過一味地增大接線路面剛度來增強(qiáng)全無縫橋梁抗震性能也是不合理的. </p><p>　　隨著接線路面剛度的增加，邊跨主梁彎矩響應(yīng)呈先增大后減小的趨勢(shì).峰值彎矩為360 kN?m

27、，僅為邊跨自重彎矩（943 kN?m）的38%，也遠(yuǎn)小于活載彎矩.可見，中低設(shè)防烈度地區(qū)，接線路面引起的邊跨主梁彎矩不會(huì)造成主梁損傷. </p><p>　　無論在何種接線路面剛度情況下，隨著地震作用的增大，各項(xiàng)地震響應(yīng)都會(huì)增大.因此，選擇合理接線路面剛度時(shí)，還應(yīng)考慮橋址地震大小情況. </p><p>　　由于接線路面剛度=接線路面板剛度+地錨剛度，且常規(guī)設(shè)計(jì)完成后，接線路面板的剛度隨之