论文部分内容阅读
摘要：通过限元软件SAP2000来对桥梁的对等墩高、对称墩高、非对称墩高这三种类型的高墩中的连续刚构桥纵桥向来进行不同程度的地震强度水平非线性时程分析。以此来得到各种不同模型的纵桥向线性地震反映规律。对这三种不同模型进行对比后可以发现，等墩高模型的各个桥墩纵向都处在一致的振动范围内，对地震应力分配方式最佳，而非对称模型以及对称模型则由于自身各个墩高落差过大，导致桥墩承受的振动幅度不一，对地震应用的分配较差。为了能够让桥墩振动基本一致，并将桥墩质量以及刚度都做到平衡，就需要采用合理的方式来对桥墩刚度进行调整。本篇文章主要对高墩桥梁纵桥向的减震设计方式进行了阐述，以期为其它桥梁在修建过程中提供参考。
关键词：桥梁 高墩 有限元 减震 纵向
为了能够最大限度的减少由于地震原因对桥梁所带来的破坏，通过大量的研究后发现：能够帮桥梁结构得到更好的抗震，减震性能的方法就是使用减震支座。现目前，对绝大多数桥梁都安装了减震支座的国家只有新西兰、美国、日本等，并且从安装后的效果来看，其桥梁自身的减震效果极为明显，但对大量的桥梁进行研究后也发现，对于高墩桥梁以及桥基处在软土上的桥梁来说，支座所带来的减震效果并不具太大的优势，某些情况下可能还会将地震所带来的破坏效果扩大，就目前来说，支座减震技术已经无法适用在高墩桥梁中，必须要使用新的减震技术以及措施，下文对高墩桥梁水所能够使用的新设计进一步进行了探讨。
1 分析模型
本文以某大桥的联连续刚构作为案例原形，并将其经过一定修改之后制作成为计算机模型。该桥梁的墩柱主要是通过三维弹性梁柱单元来进行模拟的，其墩身的质量也是堆聚在与之相应的节点之上，并加强了底端固结性，各个墩柱的顶部与主梁固结在一起。主梁同样是使用三维弹性梁单元来进行模拟的，其单元的质量主要是堆聚在单元两端的节点之上，同时还分别建立了高度在80m的等墩高、40m-60m-80m-60m-40m墩高对称以及60m-80m-80m-60m-40m墩高非对称这三种类型的连续刚构联计算模型。这三种不同类型桥墩在计算模型上的结构完全相同，其跨径布置全都是50m+2×80m+50m。
在利用计算模型对桥墩的纵向地震反应规律进行研究的过程中，三种不同类型的模型都处在固结的状态，但是在进行减震研究的过程中，其墩高达到40m以及60m的桥墩一律使用滑动支座或者滑动支座加刚悬臂阻尼器来将这两者进行连接。在进行模拟测算过程中，利用结构有限元程序SAP2000来对其减震性能进行计算，其中桥墩混凝土结构上的阻尼一律要使用瑞利阻尼，也就是使用质量刚度的比例阻尼直接定性为在混凝土结构中存在的阻尼矩阵。在这其中，桥梁的主梁以及墩柱都通过空间弹性梁单元的方式来进行模拟，而各个墩柱的底部、中部、顶部都设置上弯矩铰，其中所存在的滑动支座则使用非线性的连接单元来进行计算机模拟，滑动支座的加钢悬臂阻尼器主则是使用Kinematic的多线性弹塑性单元来进行模拟。但是又由于模型的塑性铰以及支座单元这两者在发生强震过程中，所表现出来的形态是极为明显的非线性特征，因此，模态分析的方式已经无法适用在其中，可以直接使用计分法求解非线性中所增量的运行方程式。
2 等墩高模型
纵向地震时，等墩高模型主梁为一致纵向侧移，不同点位移反应相同，且随地震强度水平增大而增大。等墩高模型纵向不同地震水平下墩底弯矩反应和弯矩变化规律是各墩弯矩反应变化规律较为一致，在PGA 为0.3g时为线性变化，而PGA 为0.4g时，明显呈非线性，观察各铰发现，墩底和墩顶发生塑性转动，说明该区域形成塑性铰，剪力变化规律同弯矩基本一致。
2.1 对称模型
纵向地震时，对称模型主梁为一致纵向侧移，不同点位移反应相同，且随地震强度水平增大而增大。对称模型纵向不同地震水平下墩底弯矩反应和弯矩变化规律是各墩弯矩反应变化规律有较大的差异，墩随地震强度水平的增大呈线性变化，而墩在PGA 为0.3g时，弯矩变化呈明显折线，说明此时墩底形成塑性铰，墩在PGA 为0.4g时出现明显非线性变化。可见对称模型纵桥向，矮墩最先屈服，内力出现重分配，随地震强度的增大，P1、P3墩屈服，内力再次重分配。剪力变化规律和弯矩变化规律基本一致。
2.2 非对称模型
纵向地震时，非对称模型主梁为一致纵向侧移，不同点位移反应相同，且随地震强度水平增大而增大。
非对称模型纵向不同地震水平下墩底弯矩反应和弯矩变化规律是P3、P4墩墩底剪力反应比较大，主要由于左右两侧刚度分布不均衡，故刚度大的一侧，剪力反应较大。弯矩反应规律和剪力反应规律基本相同，只是在较高地震强度水平时，由于塑性铰的产生，弯矩发生重分配。
3 高墩桥梁减震设计方法
通过对比三种模型可知，等墩高模型各墩纵桥向基本为一致振动，地震力分配模式最优，对称模型和非对称模型由于墩高相差较大，各墩振动不一致，故各墩地震力分配相差较大，为使各墩振动趋于一致，必需使各墩质量、刚度趋于平衡。Caltrans规范关于各墩刚度平衡有以下规定：同一联中任意两墩等效刚度比满足式（1），同一联中相邻墩等效刚度比满足式（2）。
由此，为使各墩刚度趋于平衡，主要有以下三种方法：（1）调整墩身截面，减小矮墩截面尺寸；（2）在矮墩上设置抗震支座；（3）在矮墩墩底使用护筒，使各墩高度趋于一致。本文拟采用方法（2）来调整对称模型和非对称模型地震力分配。
4 高墩桥梁减震设计算例
对对称模型和非对称模型纵横桥向进行减震设计，以高墩作为参照，在矮墩上设置活动支座和钢悬臂阻尼器，使各墩的组合刚度和分配质量满足式（1）和式（2）。本文摩擦支座参数取值如下：摩擦系数μ 取0.02，滑动临界位移取0.004m，临界摩擦力F=μN，N 为支座竖向压力。钢悬臂阻尼器的屈后刚度取0.15。8条地震记录对各模型进行非线性时程分析，得到的结果为8条地震反应的平均值。中震时将各地震波PGA 调值至0.3g，大震时调值至0.4g。需要说明的是从各模型的活动支座加阻尼器1模型到活动支座加阻尼器2模型经过多次迭代。
对称模型横向选用活动支座加阻尼器模型1，纵向选用活动支座加阻尼器模型2，其墩梁最大相对位移分别为0.324m和0.298m，非对称模型都选用活动支座加阻尼器模型2，其墩梁最大相对位移分别为0.376m 和0.361m，相对位移反应都在0.4m以内，说明各选用模型隔震装置的最大位移未超过限值。
5 结语
综上所述，依据对各种桥墩的模拟所得到的纵桥想线性地震规律来看是，三种不同类型的桥墩在从减震数据上，呈现出振动的一致性，所采用的地震分配模式能够让振动分配效果达到最佳，因此，必须要使用更为合适的减震技术应用到桥梁的修建中，并且在发展过程中不断对其进行改善，以此来促进桥梁建设设计的发展。
参考文献
[1] 殷海军，王志强，胡世德.连续梁桥设置阻尼器参数分析[J].同济大学学报：自然科学版，2004，32（11）.
[2] 闫冬，袁万城.多跨连续梁桥横桥向抗震的概念设计[J].同济大学学报：自然科学版，2003，31（11）.
关键词：桥梁 高墩 有限元 减震 纵向
为了能够最大限度的减少由于地震原因对桥梁所带来的破坏，通过大量的研究后发现：能够帮桥梁结构得到更好的抗震，减震性能的方法就是使用减震支座。现目前，对绝大多数桥梁都安装了减震支座的国家只有新西兰、美国、日本等，并且从安装后的效果来看，其桥梁自身的减震效果极为明显，但对大量的桥梁进行研究后也发现，对于高墩桥梁以及桥基处在软土上的桥梁来说，支座所带来的减震效果并不具太大的优势，某些情况下可能还会将地震所带来的破坏效果扩大，就目前来说，支座减震技术已经无法适用在高墩桥梁中，必须要使用新的减震技术以及措施，下文对高墩桥梁水所能够使用的新设计进一步进行了探讨。
1 分析模型
本文以某大桥的联连续刚构作为案例原形，并将其经过一定修改之后制作成为计算机模型。该桥梁的墩柱主要是通过三维弹性梁柱单元来进行模拟的，其墩身的质量也是堆聚在与之相应的节点之上，并加强了底端固结性，各个墩柱的顶部与主梁固结在一起。主梁同样是使用三维弹性梁单元来进行模拟的，其单元的质量主要是堆聚在单元两端的节点之上，同时还分别建立了高度在80m的等墩高、40m-60m-80m-60m-40m墩高对称以及60m-80m-80m-60m-40m墩高非对称这三种类型的连续刚构联计算模型。这三种不同类型桥墩在计算模型上的结构完全相同，其跨径布置全都是50m+2×80m+50m。
在利用计算模型对桥墩的纵向地震反应规律进行研究的过程中，三种不同类型的模型都处在固结的状态，但是在进行减震研究的过程中，其墩高达到40m以及60m的桥墩一律使用滑动支座或者滑动支座加刚悬臂阻尼器来将这两者进行连接。在进行模拟测算过程中，利用结构有限元程序SAP2000来对其减震性能进行计算，其中桥墩混凝土结构上的阻尼一律要使用瑞利阻尼，也就是使用质量刚度的比例阻尼直接定性为在混凝土结构中存在的阻尼矩阵。在这其中，桥梁的主梁以及墩柱都通过空间弹性梁单元的方式来进行模拟，而各个墩柱的底部、中部、顶部都设置上弯矩铰，其中所存在的滑动支座则使用非线性的连接单元来进行计算机模拟，滑动支座的加钢悬臂阻尼器主则是使用Kinematic的多线性弹塑性单元来进行模拟。但是又由于模型的塑性铰以及支座单元这两者在发生强震过程中，所表现出来的形态是极为明显的非线性特征，因此，模态分析的方式已经无法适用在其中，可以直接使用计分法求解非线性中所增量的运行方程式。
2 等墩高模型
纵向地震时，等墩高模型主梁为一致纵向侧移，不同点位移反应相同，且随地震强度水平增大而增大。等墩高模型纵向不同地震水平下墩底弯矩反应和弯矩变化规律是各墩弯矩反应变化规律较为一致，在PGA 为0.3g时为线性变化，而PGA 为0.4g时，明显呈非线性，观察各铰发现，墩底和墩顶发生塑性转动，说明该区域形成塑性铰，剪力变化规律同弯矩基本一致。
2.1 对称模型
纵向地震时，对称模型主梁为一致纵向侧移，不同点位移反应相同，且随地震强度水平增大而增大。对称模型纵向不同地震水平下墩底弯矩反应和弯矩变化规律是各墩弯矩反应变化规律有较大的差异，墩随地震强度水平的增大呈线性变化，而墩在PGA 为0.3g时，弯矩变化呈明显折线，说明此时墩底形成塑性铰，墩在PGA 为0.4g时出现明显非线性变化。可见对称模型纵桥向，矮墩最先屈服，内力出现重分配，随地震强度的增大，P1、P3墩屈服，内力再次重分配。剪力变化规律和弯矩变化规律基本一致。
2.2 非对称模型
纵向地震时，非对称模型主梁为一致纵向侧移，不同点位移反应相同，且随地震强度水平增大而增大。
非对称模型纵向不同地震水平下墩底弯矩反应和弯矩变化规律是P3、P4墩墩底剪力反应比较大，主要由于左右两侧刚度分布不均衡，故刚度大的一侧，剪力反应较大。弯矩反应规律和剪力反应规律基本相同，只是在较高地震强度水平时，由于塑性铰的产生，弯矩发生重分配。
3 高墩桥梁减震设计方法
通过对比三种模型可知，等墩高模型各墩纵桥向基本为一致振动，地震力分配模式最优，对称模型和非对称模型由于墩高相差较大，各墩振动不一致，故各墩地震力分配相差较大，为使各墩振动趋于一致，必需使各墩质量、刚度趋于平衡。Caltrans规范关于各墩刚度平衡有以下规定：同一联中任意两墩等效刚度比满足式（1），同一联中相邻墩等效刚度比满足式（2）。
由此，为使各墩刚度趋于平衡，主要有以下三种方法：（1）调整墩身截面，减小矮墩截面尺寸；（2）在矮墩上设置抗震支座；（3）在矮墩墩底使用护筒，使各墩高度趋于一致。本文拟采用方法（2）来调整对称模型和非对称模型地震力分配。
4 高墩桥梁减震设计算例
对对称模型和非对称模型纵横桥向进行减震设计，以高墩作为参照，在矮墩上设置活动支座和钢悬臂阻尼器，使各墩的组合刚度和分配质量满足式（1）和式（2）。本文摩擦支座参数取值如下：摩擦系数μ 取0.02，滑动临界位移取0.004m，临界摩擦力F=μN，N 为支座竖向压力。钢悬臂阻尼器的屈后刚度取0.15。8条地震记录对各模型进行非线性时程分析，得到的结果为8条地震反应的平均值。中震时将各地震波PGA 调值至0.3g，大震时调值至0.4g。需要说明的是从各模型的活动支座加阻尼器1模型到活动支座加阻尼器2模型经过多次迭代。
对称模型横向选用活动支座加阻尼器模型1，纵向选用活动支座加阻尼器模型2，其墩梁最大相对位移分别为0.324m和0.298m，非对称模型都选用活动支座加阻尼器模型2，其墩梁最大相对位移分别为0.376m 和0.361m，相对位移反应都在0.4m以内，说明各选用模型隔震装置的最大位移未超过限值。
5 结语
综上所述，依据对各种桥墩的模拟所得到的纵桥想线性地震规律来看是，三种不同类型的桥墩在从减震数据上，呈现出振动的一致性，所采用的地震分配模式能够让振动分配效果达到最佳，因此，必须要使用更为合适的减震技术应用到桥梁的修建中，并且在发展过程中不断对其进行改善，以此来促进桥梁建设设计的发展。
参考文献
[1] 殷海军，王志强，胡世德.连续梁桥设置阻尼器参数分析[J].同济大学学报：自然科学版，2004，32（11）.
[2] 闫冬，袁万城.多跨连续梁桥横桥向抗震的概念设计[J].同济大学学报：自然科学版，2003，31（11）.