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【摘要】以七古寺大桥主桥为研究对象,采用MIDAS/Civil有限元程序建立桥梁空间有限元计算模型,对大跨度连续刚构桥的高墩进行动力和抗震分析。计算结果表明,桥梁第1阶振动模态为顺桥向振动,第2阶和第3阶振动模态为横桥向振动,桥墩的顺桥向和横桥向刚度较小,主梁的竖向刚度较大;在顺桥向和横桥向地震荷载分别作用下,桥梁产生较大的水平力,其中主梁产生的水平力比桥墩大,桥墩顶部水平位移较大,墩顶和墩底截面弯矩较大,为设计最不利控制截面。
【关键词】连续刚构桥;高墩;动力分析;抗震分析
High pier's anti-seismic analysis of long span continuous rigid bridge
Wei Chun-ming,Zhang Guang-po
(New Century Road and Bridge Engineering Consult Co.LtdZhengzhouHenan450016)
【Abstract】In this paper, a 3-dimensional finite element calculating model is established for the main bridge of Qi-Gusi bridge, which is a long span continuous rigid bridge, by using software MIDAS/Civil to analyse its high pier's dynamic and anti-seismic characteristics. The calculated results indicate that the first vibration mode of this bridge is longitudinal vibration, while transverse vibration follows in second and third vibration modes. The longitudinal and transverse rigidities of high pier are weaker than the vertical rigidity of main girder. Under longitudinal and transverse seismic loads respectively, large horizontal force is generated, which is more caused by main girder than by high pier. The horizontal displacement on the top of high pier is obvious as well as the sectional moments on the top of it and at the bottom of it. As a result, they are considered the most disadvantage control sections for design.
【Key words】 Continuous rigid bridge;High pier;Dynamic analysis;Anti-seismic analysis
1. 引言
大跨径连续刚构桥是山区桥梁常用的结构形式,一般利用主墩的柔性来适应桥梁的纵向变形,由于它具有优越的结构性能、良好的经济指标,越来越显示出巨大的发展潜力[1]。七古寺大桥主桥是一座大跨径预应力混凝土连续刚构桥,位于新晋(新乡至晋城)高速公路里程桩号K72+065附近,为主线桥梁,是确保该路段交通畅通的关键工程之一。由于该桥梁处在太行山地震带上,为了确保桥梁在施工和运营期间安全可靠,设计时对高墩进行抗震计算,并采取相应抗震措施。
七古寺大桥主桥全长200m,跨径组成为(55+90+55)m,半幅桥宽12.5m,中间两个桥墩高度均为95m,中墩与主梁现浇固结,边墩顶部设置支座支承主梁。主梁采用变截面连续箱梁,单箱单室截面,C50混凝土,中墩处梁高6m,中跨跨中部位和边墩处梁高2.5m,梁高按二次抛物线变化,箱梁顶宽12.5m,箱梁底宽6m,腹板竖置,箱梁布置纵向预应力钢束。中墩采用箱形截面,C50混凝土,截面尺寸6x6m,壁厚0.9m;边墩采用箱形截面,C40混凝土,截面尺寸2.2x6m,壁厚0.5m,桥墩沿竖向每隔20m设置一道横隔板。施工时,桥墩采用滑模法分节段施工,主梁采用挂篮悬臂浇注,合拢段施工时先合拢边跨,再合拢中跨。
图1桥型布置图图2桥墩一般构造图图3桥梁有限元计算模型
图4桥梁前4阶模态图
2. 桥梁有限元建模
本文采用MIDAS/Civil有限元程序对七古寺大桥主桥进行建模。该桥梁由主梁、中墩、边墩和承台组成,建模时主梁采用变截面梁单元进行模拟,中墩、边墩和承台采用等截面梁单元进行模拟,承台底部固结,中墩顶部与主梁之间固结,边墩顶部与主梁之间采用主从约束,约束主梁的竖向和横桥向位移。全桥共计划分216个节点,211个单元,桥梁有限元计算模型如图3所示。
3. 动力分析
桥梁的动力特性参数是桥梁结构设计的重要参数,通过动力特性参数可以判断桥梁的刚度是否合理,动力计算结果也是地震响应计算的基础[2]。本文采用子空间迭代法,对七古寺大桥主桥进行动力计算,考虑到抗震计算中振型的有效质量总和(即振型参与质量)要占总质量的90%以上[3],为了确保计算精度,满足振型在各个方向的参与质量之和达到要求,共计算了桥梁前60阶振型、周期和频率,表1给出了前10阶计算结果,图4为桥梁前4阶振动模态图。
由动力计算结果可知,桥梁第1阶振动模态为顺桥向振动,频率为0.355Hz,结构基频较小,说明桥梁的顺桥向刚度较小,因为桥梁的顺桥向刚度主要由桥墩提供,桥墩很高,桥墩的顺桥向刚度较小;桥梁第2阶和第3阶振动模态均为横桥向振动,前10阶中共有5阶为横桥向振动,说明桥梁的横桥向刚度也较小;主梁竖向振动首次出现在第4阶,频率为1.558Hz,说明主梁的竖向刚度比桥墩刚度大。
4. 抗震分析
反应谱方法是目前桥梁抗震设计中广泛运用的方法,它将时变动力问题转化为拟静力问题计算地震响应[4]。本文采用反应谱方法,对七古寺大桥高墩的顺桥向和横桥向分别进行抗震计算,其中地震基本烈度8度,水平地震系数0.2,Ⅰ类场地,重要性修正系数1.7,综合影响系数0.35,阻尼比0.05,振型组合方法SRSS,计算结果考虑振型的正负号,在每个方向上按主振型的符号给各振型组合结果添加正负号,高墩的地震响应计算结果如表2和图5～10所示。
计算结果表明,在顺桥向和横桥向地震荷载分别作用下,桥梁产生较大的水平力,墩顶处的水平力由主梁振动产生,墩底处的水平力由主梁和桥墩共同振动产生,且主梁产生的水平力比桥墩大;由于高墩的抗侧移刚度较小,墩顶处的水平位移较大,分别为7.7cm和5.9cm;桥墩中间截面弯矩较小,墩顶和墩底截面弯矩较大,为最不利控制截面,设计时应加强处理。
5. 结论
通过对七古寺大桥主桥进行动力和抗震分析,得出以下结论:
(1)桥梁第1阶模态为顺桥向振动,结构基频较小,顺桥向刚度较小;第2阶和第3阶为横桥向振动,前10阶中共有5阶为横桥向振动,桥梁横桥向刚度较小;主梁竖向刚度比桥墩刚度大。
(2)在顺桥向和横桥向地震荷载分别作用下,桥梁产生较大的水平力,其中主梁产生的水平力比桥墩大;桥墩顶部水平位移较大;墩顶和墩底截面弯矩较大,为设计最不利控制截面。
参考文献
[1]范立础.桥梁工程(上册)[M].北京:人民交通出版社,2000:79～83
[2]杜思义,陈淮,王宝聚.某下承式钢管混凝土拱桥抗震分析[J]. 郑州大学学报(理学版),2007,39(3):158～162
[3]范立础,胡世德,叶爱君.高架桥梁抗震设计[M]北京:人民交通出版社,2001:38～43
[4]夏志华.大跨度连续刚构桥地震反应分析[D].成都:西南交通大学,2003
[文章编号]1006-7619(2010)03-09-142
[作者简介]魏春明(1982. 2-),男,河南信阳人,硕士,从事桥梁结构设计研究。
【关键词】连续刚构桥;高墩;动力分析;抗震分析
High pier's anti-seismic analysis of long span continuous rigid bridge
Wei Chun-ming,Zhang Guang-po
(New Century Road and Bridge Engineering Consult Co.LtdZhengzhouHenan450016)
【Abstract】In this paper, a 3-dimensional finite element calculating model is established for the main bridge of Qi-Gusi bridge, which is a long span continuous rigid bridge, by using software MIDAS/Civil to analyse its high pier's dynamic and anti-seismic characteristics. The calculated results indicate that the first vibration mode of this bridge is longitudinal vibration, while transverse vibration follows in second and third vibration modes. The longitudinal and transverse rigidities of high pier are weaker than the vertical rigidity of main girder. Under longitudinal and transverse seismic loads respectively, large horizontal force is generated, which is more caused by main girder than by high pier. The horizontal displacement on the top of high pier is obvious as well as the sectional moments on the top of it and at the bottom of it. As a result, they are considered the most disadvantage control sections for design.
【Key words】 Continuous rigid bridge;High pier;Dynamic analysis;Anti-seismic analysis
1. 引言
大跨径连续刚构桥是山区桥梁常用的结构形式,一般利用主墩的柔性来适应桥梁的纵向变形,由于它具有优越的结构性能、良好的经济指标,越来越显示出巨大的发展潜力[1]。七古寺大桥主桥是一座大跨径预应力混凝土连续刚构桥,位于新晋(新乡至晋城)高速公路里程桩号K72+065附近,为主线桥梁,是确保该路段交通畅通的关键工程之一。由于该桥梁处在太行山地震带上,为了确保桥梁在施工和运营期间安全可靠,设计时对高墩进行抗震计算,并采取相应抗震措施。
七古寺大桥主桥全长200m,跨径组成为(55+90+55)m,半幅桥宽12.5m,中间两个桥墩高度均为95m,中墩与主梁现浇固结,边墩顶部设置支座支承主梁。主梁采用变截面连续箱梁,单箱单室截面,C50混凝土,中墩处梁高6m,中跨跨中部位和边墩处梁高2.5m,梁高按二次抛物线变化,箱梁顶宽12.5m,箱梁底宽6m,腹板竖置,箱梁布置纵向预应力钢束。中墩采用箱形截面,C50混凝土,截面尺寸6x6m,壁厚0.9m;边墩采用箱形截面,C40混凝土,截面尺寸2.2x6m,壁厚0.5m,桥墩沿竖向每隔20m设置一道横隔板。施工时,桥墩采用滑模法分节段施工,主梁采用挂篮悬臂浇注,合拢段施工时先合拢边跨,再合拢中跨。
图1桥型布置图图2桥墩一般构造图图3桥梁有限元计算模型
图4桥梁前4阶模态图
2. 桥梁有限元建模
本文采用MIDAS/Civil有限元程序对七古寺大桥主桥进行建模。该桥梁由主梁、中墩、边墩和承台组成,建模时主梁采用变截面梁单元进行模拟,中墩、边墩和承台采用等截面梁单元进行模拟,承台底部固结,中墩顶部与主梁之间固结,边墩顶部与主梁之间采用主从约束,约束主梁的竖向和横桥向位移。全桥共计划分216个节点,211个单元,桥梁有限元计算模型如图3所示。
3. 动力分析
桥梁的动力特性参数是桥梁结构设计的重要参数,通过动力特性参数可以判断桥梁的刚度是否合理,动力计算结果也是地震响应计算的基础[2]。本文采用子空间迭代法,对七古寺大桥主桥进行动力计算,考虑到抗震计算中振型的有效质量总和(即振型参与质量)要占总质量的90%以上[3],为了确保计算精度,满足振型在各个方向的参与质量之和达到要求,共计算了桥梁前60阶振型、周期和频率,表1给出了前10阶计算结果,图4为桥梁前4阶振动模态图。
由动力计算结果可知,桥梁第1阶振动模态为顺桥向振动,频率为0.355Hz,结构基频较小,说明桥梁的顺桥向刚度较小,因为桥梁的顺桥向刚度主要由桥墩提供,桥墩很高,桥墩的顺桥向刚度较小;桥梁第2阶和第3阶振动模态均为横桥向振动,前10阶中共有5阶为横桥向振动,说明桥梁的横桥向刚度也较小;主梁竖向振动首次出现在第4阶,频率为1.558Hz,说明主梁的竖向刚度比桥墩刚度大。
4. 抗震分析
反应谱方法是目前桥梁抗震设计中广泛运用的方法,它将时变动力问题转化为拟静力问题计算地震响应[4]。本文采用反应谱方法,对七古寺大桥高墩的顺桥向和横桥向分别进行抗震计算,其中地震基本烈度8度,水平地震系数0.2,Ⅰ类场地,重要性修正系数1.7,综合影响系数0.35,阻尼比0.05,振型组合方法SRSS,计算结果考虑振型的正负号,在每个方向上按主振型的符号给各振型组合结果添加正负号,高墩的地震响应计算结果如表2和图5～10所示。
计算结果表明,在顺桥向和横桥向地震荷载分别作用下,桥梁产生较大的水平力,墩顶处的水平力由主梁振动产生,墩底处的水平力由主梁和桥墩共同振动产生,且主梁产生的水平力比桥墩大;由于高墩的抗侧移刚度较小,墩顶处的水平位移较大,分别为7.7cm和5.9cm;桥墩中间截面弯矩较小,墩顶和墩底截面弯矩较大,为最不利控制截面,设计时应加强处理。
5. 结论
通过对七古寺大桥主桥进行动力和抗震分析,得出以下结论:
(1)桥梁第1阶模态为顺桥向振动,结构基频较小,顺桥向刚度较小;第2阶和第3阶为横桥向振动,前10阶中共有5阶为横桥向振动,桥梁横桥向刚度较小;主梁竖向刚度比桥墩刚度大。
(2)在顺桥向和横桥向地震荷载分别作用下,桥梁产生较大的水平力,其中主梁产生的水平力比桥墩大;桥墩顶部水平位移较大;墩顶和墩底截面弯矩较大,为设计最不利控制截面。
参考文献
[1]范立础.桥梁工程(上册)[M].北京:人民交通出版社,2000:79～83
[2]杜思义,陈淮,王宝聚.某下承式钢管混凝土拱桥抗震分析[J]. 郑州大学学报(理学版),2007,39(3):158～162
[3]范立础,胡世德,叶爱君.高架桥梁抗震设计[M]北京:人民交通出版社,2001:38～43
[4]夏志华.大跨度连续刚构桥地震反应分析[D].成都:西南交通大学,2003
[文章编号]1006-7619(2010)03-09-142
[作者简介]魏春明(1982. 2-),男,河南信阳人,硕士,从事桥梁结构设计研究。