高墩桥梁地震响应分析

王克海,李　茜

(

交通部公路科学研究所,北京100088)

摘　要:近年来,高墩桥梁越来越多地在西部强震地区被采用,并且多采用简支梁桥、连续梁桥和刚构桥。对具有高墩的某桥梁工程进行高墩桥梁抗震性能分析,研究高墩动力特性和地震响应特点。并通过适当的改变结构形式降低桥墩的地震响应,达到较好的减震效果,可为高墩桥梁的建设和抗震设计提供参考。

关键词:高墩;刚构桥;地震响应分析;减震中图分类号:U442.55

文献标识码:A

文章编号:1671-7767(2006)01-0041-03

收稿日期:2005-08-18

基金项目:西部交通建设科技项目(200231800028)

作者简介:王克海(19-),男,副研究员,1987年毕业于石家庄铁道学院桥梁工程专业,工学学士,1992年毕业于兰州铁道学院结构研究所结构力学专业,工学硕士,1999年毕业于北方交通大学土木工程专业,工学博士。

0　引　言

近年来,我国交通基础建设迅速发展,在西南和西北地区兴建了大量桥梁,为了跨越深沟险壑,采用高墩桥梁不可避免,而且桥墩的高度也越来越高,有的甚至超过百米,例如云南元江-墨黑高等级公路上的桥梁,陕西禹门口-阎良高速公路上的桥梁,桥墩最高高度达到了120m 以上。

地区有80%以上破坏性地震集中在、

青海、、云南和四川地区。目前,国内外缺乏高墩桥梁经受地震的经验,震后修复困难[1],而合理的结构形式和成功的抗震设计可以大大地减轻甚至避免震害的产生[2]。因此,详细地分析高墩桥梁地震响应,对提出高墩桥梁合理的抗震设计方法是十分必要的。调查结果表明,这些高墩桥梁多为简支梁桥、连续梁桥和刚构桥[3],本文将对某一高墩梁桥工程实例进行地震响应分析,研究高墩梁桥的地震响应特点,为高墩梁桥的建设、设计提供参考。1　刚构桥动力特性及地震响应分析1.1　计算模型

主桥为4跨预应力混凝土刚构桥,最大跨度200m 。主梁为单室单箱截面,桥面宽13.5m ,梁高按二次抛物线变化。主桥桥墩采用薄壁空心墩,1号、2号、3号墩墩高分别为49m 、98m 和.5m 。主梁和桥墩用梁单元模拟,墩底固结,参考施工阶段梁段的划分和预应力钢束的布置,并考虑桥梁的实际情况,将全桥划分为358个单元,365个节点,计算模型见图1

。

图1　预应力混凝土刚构桥计算模型

1.2　高墩刚构桥动力特性分析

振型贡献率是决定振型参与动力响应大小程度

的重要参数[4,5]。该高墩刚构桥前75阶X ,Y ,Z 方向累计振型贡献率达到0.90以上,见图2,前10阶纵桥向和横桥向累计振型贡献率已达到0.80以上,竖向累计振型贡献率收敛较慢,前10阶累计仅达到0.30

。

图2　X,Y,Z 方向累计振型贡献率结构前3阶自振周期分别为5.76s 、3.44s 和3.17s ,前两阶为横向弯曲振型,第3阶振型为纵向弯曲振型,高墩在第12阶开始出现纵向侧弯振型。1.3　高墩刚构桥地震响应分析

根据桥梁结构场地地震安全性评价报告,输入50年超越概率10%的地震加速度反应谱(放大系数βmax =2.25)进行计算分析。

纵向+竖向地震作用下,1号、2号、3号墩墩顶

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4高墩桥梁地震响应分析　　王克海,李　茜

纵向位移分别为7.4cm 、8.1cm 、8.1cm ;横向+竖向地震作用下,1号、2号、3号墩墩顶横向位移分别为4.3cm 、27.7cm 、19.5cm 。纵向+竖向地震作用和横向+竖向地震作用下,桥墩的弯矩见图3、图4。在纵向+竖向地震作用下,1号墩墩顶、墩底纵向弯矩较大,是2号墩和3号墩墩顶、墩底弯矩的2倍多。在横向+竖向地震作用下,在2号墩墩底产生较大的弯矩,1号墩墩底弯矩相对较小

。

图3　

纵向+竖向地震作用下各墩的纵向弯矩

图4　横向+竖向地震作用下各墩的横向弯矩

2　连续-刚构组合结构动力特性及地震响应分析

由于高墩刚构桥在纵向+竖向地震作用下,在矮墩墩顶和墩底产生了相当大的弯矩(见图3),因此,在1号墩墩顶设置纵向滑动支座,形成连续-刚构组合结构。

2.1　高墩连续-刚构组合结构动力特性分析

该高墩连续-刚构组合结构前86阶X ,Y ,Z 方向累计振型贡献率达到0.90以上,见图5,前10阶纵桥向和横桥向累计振型贡献率已达到0.80以上,竖向累计振型贡献率收敛较慢,前10阶累计不到0.10。

高墩连续-刚构组合结构基本周期变为6.09s ,为纵向弯曲振型。第2阶和第3阶为横向弯曲振

型,周期分别为5.79s 和3.47s ;高墩振型在第14阶开始出现,周期为0.62s ,振型特征为纵向侧弯。2.2　高墩连续-刚构组合结构地震响应分析

根据桥梁结构场地地震安全性评价报告,输入50年超越概率10%的地震加速度反应谱(放大系数βmax =2.

25)进行计算分析。

图5　X,Y,Z 方向累计振型贡献率

纵向+竖向地震作用下,1号墩墩顶与主梁之间相对位移为27.2cm ,2号、3号墩墩顶纵向位移为29.1cm ;横向+竖向地震作用下,1号、2号、3号墩墩顶横向位移分别为4.5cm 、28.3cm 、19.5cm 。连续-刚构组合结构在纵向+竖向地震作用和横向+竖向地震作用下,桥墩的弯矩见图6、图7。改变结构形式后,1号墩墩底纵桥向弯矩减少为原

来的30%。

图

6　组合结构在纵向+竖向地震作用下各墩的纵向弯矩

图7　组合结构在横向+竖向地震作用下各墩的横向弯矩

3　结　论

通过对某高墩实桥地震响应的分析,得到以下结论:

(1)刚构桥和连续-刚构组合结构前10阶纵桥向和横桥向累计振型贡献率均达到0.80以上,但是竖向累计振型贡献率收敛较慢,尤其是连续-刚构组合结构。

(2)地震响应分析研究表明:刚构桥在纵向地震力作用下,矮墩承受的地震力比高墩要高几倍,在保证高墩抗震性能的前提下,对刚构桥的矮墩宜设支座成为刚构加连续的组合结构体系,这样可以降低矮

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4世界桥梁　　2006年第1期

[1]马坤全.大跨度高墩连续梁桥空间地震反应分析[J].上

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Analysis of Seismic R esponse of B ridges with High2Rise Piers

WAN G Ke2hai,L I Qia n

(Research Institute of Highways,the Ministry of Communications,Beijing100088,China)

Abstract:In resent years,bridges wit h high2rise piers have been built more and more in t he west of China where strong eart hquake event s are active,and most of t hese bridges are generally designed as simply2supported girder bridges,continuous girder bridges and rigid2f ramed bridges.

In t his paper,t he seismic performance of a bridge wit h high2rise piers is analyzed,t he dynamic performance of t he high2rise piers of t he bridge and t heir seismic response characteristics are st ud2 ied.By app rop riately changing st ruct ural forms of t he piers for reductio n of t he seismic response, fairly good seismic mitigation effect has been achieved.The result s of analysis and st udy in t he paper may serve as reference to t he const ruction and seismic design of ot her bridges wit h high2rise piers.

K ey w ords:high2rise pier;rigid2f rame bridge;seismic response analysis;seismic mitigation

(上接第16页)

Structural Considerations,Design and Application of N ew Type of Form T raveler G uyed by Single C able Plane

for Xichang C able2Stayed B ridge in Tonghu a

XU J ia2ping,WAN G J ia n2hua,DAI Zong2cheng

(The2nd Engineering Co.,Ltd.,China Zhongtie Major Bridge Engineering Group,Nanjing210015,China)

Abstract:This paper present s t he design p rinciples,st ruct ural feat ures and key const ruction technology of t he new type of form traveler guyed by single cable plane for Xichang Cable2Stayed Bridge in Tonghua.

K ey w ords:cable2stayed bridge;main girder;form t raveler guyed by single cable plane;

bridge construction;const ruction machinery 34

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