中寧黃河大橋抗震性能分析

中寧黃河大橋抗震性能分析

1中寧黃河大橋中寧黃河大橋位于太原至中南海新鐵路工程區(qū)。地震基本相同。主橋為6.96m雙橫鋼梁橋，引橋為48m預制混凝土簡梁橋。下部分結構為圓形橋墩，采用孔橋主基礎，基土主要為粗圓礫土。根據《鐵路工程抗震設計規(guī)范》(GB50111-2006)要求,為體現“小震不壞、中震可修、大震不倒”的三水準設計思想,對中寧黃河大橋進行多遇地震下的彈性地震反應分析和罕遇地震下的彈塑性地震反應分析.2建立模型的建立彈性地震反應分析采用大型有限元分析程序ANSYS進行,梁、墩均采用空間梁單元beam4模擬.在多跨鋼桁梁橋分析中,若各跨的梁、墩尺寸相同或相近,基礎和地質條件相近,則通?？蛇x其中幾跨進行簡化建模分析.本文取四跨主橋和兩跨引橋建立模型(如圖1所示),以主橋57號墩為例進行分析.模型中采用剛臂單元連接橋墩與鋼桁梁.在固定支座處將梁體與橋墩線位移自由度耦合,活動支座處將梁體沿橋橫向、豎向的線位移自由度耦合.考慮樁基礎和地基對結構的作用,承臺底順橋向和橫橋向平動及轉動自由度采用彈簧約束,彈簧剛度采用m法計算.順橋向模型中,固定邊墩支座頂施加鄰跨梁質量;橫橋向模型中,兩邊墩均施加相應鄰跨梁質量的一半.3前幾階振型采用子空間迭代法對中寧黃河大橋進行自振特性分析.表1列出該橋部分模態(tài)的自振周期、振型描述,部分振型圖示于圖2.中寧黃河大橋的前幾階振型以主梁橫向振動為主,且呈面外正對稱和反對稱交替出現的特點.而固定墩順橋向振型則出現較晚.第1振型對橋墩橫橋向振動貢獻最大,第10振型對57號墩的順橋向振動貢獻最大.4彈性地震反應分析4.1多遇地震反應譜分析多遇地震下,對該橋進行反應譜和時程反應分析.根據該橋的地震安評報告,橋址處場地特征周期為Tg=0.45s,地面地震動峰值加速度0.021g,加速度反應譜曲線中動力放大系數最大值βm=2.6.反應譜分析中,取前600階振型,采用SRSS方法組合來分別計算順橋向及橫橋向地震反應.時程分析中,將多遇地震下的3條安評地震波分別沿順橋向、橫橋向輸入,采用Newmark-β法進行積分.57號墩內力計算結果列于表2和表3.其中,時程分析所示內力值為3條地震波計算值的平均值.4.2鋼筋混凝土橋墩取反應譜和時程計算內力值較大者,乘以重要性系數1.4后進行墩底截面偏心驗算,計算結果列于表4.由計算結果可以看出,橋墩的橫橋向地震內力不控制設計,但順橋向橋墩墩底截面合力偏心距不滿足規(guī)范要求,應設計為鋼筋混凝土橋墩.為保證橋墩的延性變形能力,建議配筋率不小于0.5%.按配筋率0.5%驗算,混凝土最大壓應力7.6MPa,鋼筋最大拉應力161.0MPa,均滿足規(guī)范要求.5土體應力-應變耦合模型根據規(guī)范要求,罕遇地震作用下采用的抗震設防目標如下:結構進入彈塑性工作階段,發(fā)生較大的非彈性變形,但應控制在規(guī)定的范圍內;可能產生較大的破壞,但不出現整體倒塌,經搶修后可限速通車.在強震作用下,一般梁式橋的地震響應基本體現為單墩獨立振動的特性.本文采用圖3所示單墩模型進行彈塑性抗震分析,墩身截面的滯回曲線采用圖4所示武田三線性彎矩-曲率模型,墩頂以上恒載以集中質量的方式施加在墩頂,地基土對樁的作用采用一個轉動彈簧模擬.分析過程采用大型有限元分析程序MIDAS進行.根據鋼筋和混凝土的應力-應變關系,采用條帶法對各橋墩進行全過程分析,得出其M-φ曲線,再由等能量法求出三線性骨架曲線.其中,配筋率為0.5%的57號墩塑性鉸區(qū)特性列于表5,其M-φ曲線如圖5和圖6所示.等效塑性鉸長度由公式lp=(0.5+0.05HB)Blp=(0.5+0.05ΗB)B計算,其中H為橋墩高度;B為墩底截面的高度.假定曲率沿墩高線性變化,根據橋墩彎矩-曲率曲線計算得各橋墩墩頂力-位移(P-Δ)曲線.其中,57號墩墩頂力-位移關系列于表6.彈塑性地震反應時程分析中輸入的地震波為安評報告提供的3條50年超越概率2%的場地地面加速度時程曲線,其最大峰值加速度為5.55m/s2,地震動持時40.96s.將3條地震波分別沿順橋向和橫橋向輸入,計算結果取平均值,得57號墩內力和位移最大值列于表7.罕遇地震下,57號墩墩頂位移時程曲線見圖7,順橋向地震下墩底彎矩-塑性鉸轉角滯回曲線見圖8.計算結果表明,罕遇地震順橋向和橫橋向輸入下57號墩均進入屈服階段但未破壞,墩頂位移均小于極限位移,滿足規(guī)范延性要求.6要完善橋墩配筋設計,確定彈性混凝土橋墩1)多遇地震作用下,57號墩身設計由順橋向地震彎矩控制,截面偏心驗算不滿足規(guī)范要求,建議