基于大质量法地震竖向作用下连续刚构桥地震响应分析

2011-02-05贾志明高大峰

四川建筑 2011年1期

贾志明，高大峰

(西安建筑科技大学结构工程与抗震教育部重点实验室，陕西西安710055)

我国在上世纪80年代开始设计、建造连续刚构桥，以其良好的力学性能在公路建设上得到广泛应用，是我国大中跨径桥梁的主要结构形式。地震作用往往给桥梁造成严重损坏，因此对作为生命线的桥梁结构进行抗震研究具有重要意义。地面运动是复杂的空间运动，其加速度既包括水平向分量，又包括竖向分量。很多震害的研究表明［3］，大桥的地震破坏主要由水平分量的造成，但是竖向分量也有很大影响。本文对结构运用大质量法，重点分析了竖向地震作用在非一致激励作用下，对下部结构内力的影响，得出了一些有意义的结论，以供参考。

1 大质量法简介

大质量法(LMM)假设基础为一个或若干个具有很大质量的集中质量单元，这些大质量单元与上部结构之间刚性连接。对于连续刚构桥，采用有限元方法离散化，得到结构的动力平衡方程:

在地基节点上利用质量单元mass21建立一个单元质量点单元，给这一节点附属很大的质量(通常为结构总质量的106倍)。进行动力分析时，释放支座节点相应激励方向的自由度约束，然后在支座激励方向施加很大的力，其大小为单元质量与地面加速度的乘积。此方法的优点是可以得到结构的真实相应位移。

2 工程背景

某连续刚构桥，其跨径组合为(65+100+65)m，主梁为变截面单箱单室结构，箱梁上顶板宽10.0 m，下底板宽6.0 m，两侧悬臂2.0 m，箱梁设纵向及横向预应力。梁底为二次抛物线线形，墩梁结合处梁高6.5 m，跨中及边跨直线段梁高2.0 m。下部结构采用钢筋混凝土双薄壁式空心墩，墩高76 m，截面尺寸2.0 m×6.0 m，顺桥向壁厚0.5 m，横桥向壁厚0.8 m。主桥上部结构采用C50混凝土，下部结构采用C40混凝土。设计荷载为:汽车－20级;挂车－100级;地震烈度:按Ⅶ度设防。

3 有限元模型及动力特性

3.1 有限元模型的建立

采用ANSYS空间三维梁单元(beam188)模型变截面主梁和桥墩。由于桥梁所处的场地较好，在计算时采用墩底固结，不考虑桩土相互作用。主梁两端限制其竖向位移和横向位移，并约束绕Y轴的转动。桥梁的空间有限元模型如图1所示。坐标轴约定:纵桥向为X轴，横桥向为Y轴，桥梁竖向为Z轴。

图1 全桥模型

3.2 动力特性

结构的自振特性取决于其本身的材料特性和刚度、质量分布，以及相应的约束条件，这是进行结构动力响应计算的基础，也可作为结构损伤识别和质量评定的依据。利用建立的空间模型，采用子空间迭代法求解振型和频率(表1、图2)。

图2 前4阶振型

4 地震响应分析

4.1 地震动输入

采用典型强震记录EICentro地震波输入，按照Ⅶ度抗震设防等级对地震波加速度峰值进行调整，调整后加速度峰值取1.00 m/s2，相应的地震加速度曲线见图3。计算中地震动的输入采用横向+纵向(工况1)和横向+纵向+竖向(工况2)两种方式且非一致输入，竖向地震动时程曲线与水平方向相同，但加速度峰值取为水平方向的0.65倍。