城市曲线连续钢箱梁立交桥抗震分析

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城市曲线连续钢箱梁立交桥抗震分析摘要：城市曲线连续钢箱梁立交桥的平面因为不规则性引起弯扭耦合效应影响，所以对于地震响应具有非常复杂的特性。本文结合实例对一联五跨曲线连续钢箱梁立交桥的P1、P2概率水准的双向地震作用下曲线连续钢箱梁立交桥抗震分析，得出结论，在双向地震作用下，桥梁的直线段桥墩墩顶横向位移较为明显，桥梁曲线段桥墩墩顶纵向位移较为明显，并且对曲线连续钢箱梁立交桥的局部构件进行分析，发现桥梁结构在弹性阶段的延韧性较高。关键字：城市桥梁；曲线钢箱梁；连续钢箱梁；立交桥；桥梁抗震分析前言早期城市曲线连续钢箱梁立交桥主要是对桥梁的静力和交通承载符合进行研究，1975年，有科学家提出曲线连续钢箱梁立交桥伸缩缝和桥墩动力反应的抗震计算，其中包括计算高墩曲线桥梁的模态、曲线桥不同支座类型下抗震反应、水平地震下曲线连续钢箱梁立交桥的滑动情况等。我国对立交桥的抗震研究是由1984年李国豪先生提出的采用有限单元法对交桥抗震能力进行分析，通过计算与直线梁单元模拟结果相比较，在1996年袁万城先生提出曲线连续钢箱梁立交桥线性与非线性空间抗震反应分析，采用时程法对点铰支撑曲线桥与普通支撑曲线桥的抗震反应进行比较。采用空间抗震分析对于曲线连续钢箱梁立交桥抗震反应分析，解决了早期桥梁平面计算对抗震分析的不全面问题，能够真实的反映出桥梁的实际受力情况，对提高桥梁抗震能力具有实际意义。本文举例分析城市曲线连续钢箱梁立交桥的抗震能力，希望对读者有所帮助。一、举例工程概况某城市立交桥采用曲线连续钢箱梁，桥长337m，采用三联连续箱梁，第一联是采用混凝土连续箱梁，跨度40m；第二联是采用大跨度曲线连续钢箱梁，跨距205m；第三联是采用钢筋混凝土连续箱梁，跨度92m。其中本文主要研究的是第二联曲线连续钢箱梁。其简图如图1所示： 图1某城市立交桥第二联是采用大跨度曲线连续钢箱梁，箱底呈半椭圆形，椭圆桥面直径为9.8m，桥梁高度2.2m，钢箱梁采用Q345D材料钢，桥板为正交异性板满焊，截面纵肋每隔3m焊接一道隔板。各部分材料厚度分别为：支点定顶底板30mm、跨中顶底板16mm、腹板厚度14mm、肋板厚度8mm、中横隔板14mm、横隔板25mm。箱梁横截面简图如图2所示：图2第二联是采用大跨度曲线连续钢箱梁横截面二、动力特性计算曲线钢箱梁立交桥的曲线梁形状可以不仅采用半椭圆形，可以是任意形状，不论曲线钢箱梁立交桥的曲线箱梁的横截面的是变化的还是固定，采用两节点直梁单元计算的自振频率和用曲梁单元计算的自振频率结果相近，发生微变化的是采用两节点直梁单元计算，需要对较多的单元进行计算，相对较为复杂。采用有限元程序建立案例桥梁的空间模型，其中主梁、桥墩、钢臂使用三维直梁单元，应用支座单元连接主梁和桥墩，案例桥梁可分为279个节点和284个单元。 对于曲线钢箱梁立交桥进行动力特征计算，从而判断桥梁刚度，刚度作为曲线钢箱立交桥的抗震相应基础。曲线钢箱梁的组成结构、桥梁刚度、桥梁质量分布、桥梁支撑方式选择等是桥梁结构自振周期的主要因素。将桥梁结构自振频率与振型以方程式的形式表示特征值：（[K]-[M]）{}={0}[K]为桥梁结构刚度矩阵；[M]为桥梁结构质量矩阵。刚度与质量矩阵组合形式计算阻尼矩阵得：[C]=[M]+[K]可以采用多种方法求解桥梁结构自振频率与振型的特征值，其中包括：逆迭代、广义雅、搜索、缩减等方法。其中速度较快、求解能力大、节省内存空间的一种方法是子空间迭代法和瑞雷伊里兹法的结合。下面我们对采用这种结合方法做出的自振频率和周期的前20阶做出频率与周期表如表1所示：序号自振频率周期序号自振频率周期序号自振频率周期10.4978HZ2.0088s82.0769HZ0.4815s154.1926HZ0.2385s20.5552HZ1.8012s92.1032HZ0.4755s164.3645HZ0.2291s30.5825HZ1.7168s102.1643HZ0.4620s174.4199HZ0.2262s40.9380HZ1.0661s112.2399HZ0.4465s184.5260HZ0.2209s51.5942HZ0.6273s123.3295HZ0.3003s194.5853HZ0.2181s61.7446HZ0.5732s133.5452HZ0.2821s204.6849HZ0.2135s71.9702HZ0.5076s143.7442HZ0.2671s表1自振频率和周期的前20阶桥梁结构自振特征表现形式是桥梁主梁横向振动和下部桥墩弯扭耦合振动，这表明立交桥桥墩的抗扭能力较强。三、曲线钢箱梁立交桥地震反应分析曲线钢箱梁立交桥地震反应分析常见方法有反应谱法和时程分析法，其中反应谱法具有利用较少计算量获得较大反应值的特点，不过不适用于大型桥梁工程结构，具有一定的局限性。时程分析法是一种动态的、瞬态的动力学分析方法能够对立交桥地震荷载作用下的位移应力等随时间的变化趋势进行描述，是分析结构线性地震与非线性地震相应的有效方法。对举例曲线连续钢箱梁立交桥的P1水准、P2水准下双向地震时的桥墩3号与6号墩墩底弯矩进行分析得出弯矩值如表2所示： 概率水准3号桥墩墩底弯矩6号桥墩墩底弯矩横向弯矩纵向弯矩横向弯矩纵向弯矩P1水准495.02KNm493.06KNm-472.93KNm441.36KNmP2水准990.05KNm986.14KNm-945.85KNm882.73KNm通过计算得出的结论分析，该案例桥梁的抗震度可达7级。设立交桥抗震度可持续50年，水准概率增加10%作为P1、将抗震度提高一个等级8级，立交桥抗震度可持续年限50年，水准概率增加2%-3%作为P2，进行立交桥抗震分析。建立坐标系，设立交桥横桥方向为X、纵向设为Y，竖向设为Z，如图3所示图3左图为3号桥墩墩顶位移网格图、右图为6号桥墩墩顶位移网格图计算P1和P2的概率水准条件下立交桥结构的抗震反映，得出双向地震条件下对于立交桥直线段落桥墩墩顶横向位移敏感；曲线段落桥墩墩顶纵向位移敏感，通过对3、6号桥墩墩底截面验算，立交桥结构处于弹性阶段，表明该曲线连续钢箱梁立交桥具有很好的延性，满足抗震要求。四、曲线连续钢箱梁立交桥的抗震结论1、采用抗扭刚度大曲线连续钢箱梁截面方式能够确保立交桥的抗震能力增强，因为通过结构分析地震状况下立交桥主梁横向振动明显，桥墩发生弯扭耦合现象。2、对P1概率水准和P2概率水准条件下的双向地震时的桥墩3号与6号墩墩底弯矩值分析，桥梁处于弹性阶段，具有良好的抗震性，抗震强度可达7级。对城市立交桥的抗震能力分析发现，直线部分桥墩墩顶横向位移较为敏感，曲线部分桥墩墩顶纵向位移较为敏感，所以桥墩曲线连续钢箱立交桥的墩顶纵向要扩大施工面积。3、曲线钢箱梁立交桥的抗震能力要从多角度分析，因为实际地震产生的力的方向具有极不确定性，不可单独只对桥梁的某一方向的力进行计算，那样不全面。 五、结束语城市曲线连续钢箱梁立交桥的抗震分析采用一联五跨曲线连续钢箱梁立交桥的P1、P2概率水准的双向地震作用下曲线连续钢箱梁立交桥抗震计算，计算结果是在双向地震作用下，桥梁的直线段桥墩墩顶横向位移较为明显，桥梁曲线段桥墩墩顶纵向位移较为明显，同时城市曲线连续钢箱梁立交桥的局部构件桥梁结构在弹性阶段的延韧性较高。参考文献[1]周英操，翟洪军.欠平衡钻井技术与应用[M].北京：石油工业出版社，2003.[2]杨振平，蒋宏伟，王少春，冯举涛，潘洁，蒋记伟.欠平衡钻井的优势和挑战[J].内蒙古石油石化.2006，8：74-76.[3]陈会年，张国龙，梁何生.国内外欠平衡钻井工艺技术现状[J].西部探矿工程，2003，2：72-73.[4]胡辛禾.国外欠平衡钻井技术与装备技术[J].国外石油机械，2001，29(2)：55.[5]费洪明.大庆油田欠平衡钻井工艺技术应用的研究[D].大庆：大庆石油学院，2006.