尾道大桥在强震作用下的非线性动力反应研究.pdf

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尾道大桥在强震作用下的非线性动力反应研究 非线性动力 尾道大桥的 作用下 强震作用下 非线性 尾道大桥
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第35卷第1期 V01.35 No.1 2014 青岛理工大学学报 Journal of Qingdao Technological University 尾道大桥在强震作用下的非线性动力反应研究 陶 坤,姜 柱 (青岛理工大学土木工程学院,青岛266033) 摘要:采用非线性动力时程分析法对日本尾道大桥的抗震性能进行研究.通过建立该桥三维有限元模型,探 讨在地震作用下该桥的受力特点,并对其主要结构构件的弹塑性反应进行分析.经分析得出,在地震作用下, 尾道大桥的桥面主梁处于弹性状态,桥墩剪切强度不足,需要进行补强加固. 关t词:大跨度;斜拉桥;动力特性;非线性}时程分析 中圈分类号:U448.27 文献标志码:A 文章编号:1673—4602(2014)01—0024—07 Study on the nonlinear dynamic response of Onomichi Bridge under strong earthquake TAO Kun,JIANG Zhu (School of Civil Engineering,Qingdao Technological University,Qingdao 266033,China) Abstract:This paper makes a study on the seismic performance of Japan Onomichi Bridge by the method of nonlinear dynamic time-history analysis.Through the three-dimensional finite element model of the bridge is established,it discusses the force characteristics of the bridge under the seismic action,and analyzes the elastic-plastic response of the main components. On analysis,it is proved that the Onomichi Bridge’S girder remains in the elastic condition, but the piers need to be reinforced due to the insufficiency of the piers shear strength under seismic action. Key words:large span;cable-stayed bridge;dynamic characteristics;nonlinear;time-history analysis 大跨度斜拉桥作为重要的社会基础设施,一旦在地震作用下发生破坏,将会带来巨大的经济损失,因 此研究和把握桥梁在地震动荷载作用下的破坏程度非常重要.本文以典型的钢桁架斜拉桥——尾道大桥 为研究对象,对其主要结构构件——桥墩导入非线性M乒关系,应用非线性动力时程分析法探讨了桥面 主梁的内力反应分布以及桥墩的非线性反应,对钢筋混凝土桥墩的抗弯以及抗剪能力进行了校核,得出了 桥墩抗剪能力不足需进行补强加固的结论. 1工程概况 尾道大桥(Onomichi Bridge)于1968年建成,坐落于日本广岛县,是El本的第一座跨海大桥.该桥是3 跨门式双塔双索斜拉桥,桥梁全长385 m,主跨度为215 m,两边跨度均为85 l'f1.桥面宽度为10.4 m,桥塔 收稿日期:2013—08-10 作者筒介:陶坤(1987一),男,山东青岛人.硕士,研究方向为桥梁抗震.E-mail:414893143@qq.com. 万方数据 第1期 陶坤,等:尾道大桥在强震作用下的非线性动力反应研究 25 高38 m,桥墩高33 m,斜拉索为扇形布置.尾 道大桥上部桥体主梁、桥塔采用钢结构,下部桥 墩、桥台采用钢筋混凝土结构,且该桥桥墩为双 层门式框架结构.桥体纵向布置如图1所示;桥 墩尺寸及截面钢筋变化位置如图2所示. 2数值分析模型 根据尾道大桥的设计资料,利用有限元分 析软件TDAPⅢ建立该桥三维仿真数值模型, 如图3所示.在整体坐标系中,X轴为顺桥方 向,y轴为铅直方向,Z轴为横桥方向. 钢筋混凝土桥墩在地震作用下主要以构件 屈服的形式来耗散地震能量,因此采用M一西 非线性梁单元可以合理地模拟桥墩的地震反 应.以P1桥墩(图1)下横梁左侧节点处为例, 结构单元依据塑性铰长度D的1/2倍原则,并 在钢筋变化处设置节点[1’3],桥墩柱和横梁连接 部位设为刚域,如图4所示.桥台、桥塔和桥面 主梁在地震作用下通常不易进入塑性工作状 态,采用线性梁单元可以较好地模拟出构件的 反应特点;斜拉索选用索单元模拟;支座在A1 Pl 图1尾道大桥纵向布置 P2 17 200 20}10 800 j20( —W -v o 一 o o—百 m o fnn .o o ; o 。∞ \l o ’十 卜 o ●-^ 钢筋变化点处 图2桥墩尺寸和钢筋变化位置 桥台、P1和P2桥墩处按横桥向和铅直向固定,顺桥向可动,在A2桥台处按三向固定的方式进行设定;基 础的作用简化成一组弹簧加在桥墩的底部.弹簧参数设定和构件阻尼比分别如表1、表2所示. 图3尾道大桥模型 表1基础弹簧参数 刚域 图4构件划分 处 通过大量的恢复力特性研究证明[4巧],考虑刚度退化的武m--折线弯矩一曲率模型能较好地反映钢筋 混凝土压弯构件的非线性特性,其加载、卸载特征如图5、图6所示. 万方数据 26 青岛理工大学学报 第35卷 3振型分析与阻尼设定 一般情况下结构前几阶振型对结构反应起控制作 用.本文提取了具有代表性的几阶振型,自振特性及振型 图分别如表3、图7—10所示. 由图7—10可以得出尾道大桥的振型反应有以下特 点: 1)该桥的第1阶振型反应以桥面主梁平面内铅直向 振动为主,当对该桥施加铅直向地震波时,则会首先激发 第1阶振型; 图5武田三折线模型(屈服前) 加截中:①固,⑤坷;卸载中“④一⑤ 衰2构件阻尼比 表3部分自撅特性 图6武田三折线模型(屈服后) 加载中:①国。⑦一⑨;卸载中:④一⑦ 图7 1阶振型 图8 2阶振型 图9 4阶振型 图10 10阶振型 2)该桥的第2阶振型反应以桥面主梁平面外横桥向振动为主,当对该桥施加横桥向地震波时,则会首 先激发第2阶振型; 万方数据 第1期 陶坤,等:尾道大桥在强震作用下的非线性动力反应研究 27 3)在第4阶振型反应中开始出现以桥墩顺桥向振动为主的振型,当对该桥施加顺桥向地震波时,则会 首先激发第4阶振型. 此外,阻尼有引起结构振动过程中能量耗散、结构振幅逐渐减小的作用.本文采取由结构质量矩阵和 刚度矩阵算出的瑞雷(Rayleigh)阻尼进行分析[6],其表达式如下: Ec3=口EM]+p EK-I (1) 式中:[C]为阻尼矩阵;[M]为质量矩阵;[K]为刚度矩阵;口和p为瑞雷阻尼系数. 工程中一般选取沿震动方向贡献率最大的 前两阶振型数据进行瑞雷阻尼系数的计算[7]. 所以根据表3中数据选择有效质量比最大的第 5阶、第16阶振型,经计算得到的瑞雷阻尼曲 线为图11中的虚线,该虚线位于大部分振型阻 尼之上,会过大地评价结构阻尼,导致反应计算 值偏小,结构偏于危险.因此,本文综合考虑了 各阶振型形状和有效质量比,选出第1阶和第 10阶模态计算瑞雷阻尼系数,得到如图11实 线所示的瑞雷阻尼.在o~2 Hz频段内大部分 振型阻尼位于瑞雷阻尼曲线或其上部附近,避 免了过大考虑阻尼的现象. 4地震波的输入 尾道大桥属于对社会影响很大的B类 桥[8].综合考虑该桥所在场地环境和地质条件 等因素后选择TypeⅡ地震(即城市型强震,此 类型地震持续时间短,破坏性大)中的艺予 (gy03)、(gy04)地震波和模拟地面断层的伏在 断层(m67—14)、(m67—15)地震波,进行该桥的 O.10 0.08 0.06 世 嚏o.04 O.02 O ● ● 、● /。 ●● ● :一。-。·:I ●●● ● 一一‘●‘…… v而·。’ f ●● /’ ● ● ……◆,-二‘ l-:._—: ●一^.●.● 2 3 频率少Hz 图1 l振型阻尼与瑞雷阻尼对比 一Rayleish阻尼;·摄型阻尼;…不合理hyl。ighm尼 衰4地震波量大加速度 cnds2 地震模拟.各地震波的最大加速度如表4所示,部分地震波波形如图12—15所示. 250 125 O 125 250 L…一,一 T’rT’1 lor一-’ 0 20 40 60 时lh-]/s 图12(gy03)顺桥向波形 山L一 1。I '叩1 O 10 20 30 时间,s 图14(m67—15)横桥向波形 350 7∞175 甚 兰0 越 型一175 —350 f 粤 暑 3 魁 鹕iI 口A j ■L L1 11 FTrr’ 0 10 20 30 时间,s 图13(m67—14)横桥向波形 图15(m67—15)铅直向波形 万方数据 青岛理工大学学报 第35卷 5非线性地震反应结果分析 5.1桥面主梁内力分析 本文选取艺予(gy03)、(gy04)地震波三维激励结果的平均值对该桥桥面主梁进行受力分析,主梁轴 力、剪力、弯矩的分布分别如图16—20所示. 置 杂 暴 000 000 000 000 0 000 000 000 0 50 100 150 200 250 300 350 400 顺桥向坐标,m 图l 6主梁轴力分布 ●拉索锚固处;_桥墩支座处;·跨中;一最大值;一最小值 l 000 妻50。0 交一500 一l 000 —1 500 0 50 100 1 riO 200 250 300 350 400 顺桥向坐标,m 图l 8主梁面外剪力分布 ·拉索锚固处;●桥墩支座处;·跨中;一最大值;一最小值 由图16可以看出,桥面主梁跨中位置同时 出现了很大的拉力与压力(轴力以受压为正,受 拉为负),说明在地震发生时,桥面主梁跨中处 于反复拉压的状态;由图17可知,桥面主梁面 内剪力最大最小值分布基本一致,且在拉索锚 固处和桥墩支座位置均有突变,说明斜拉索和 桥墩对主梁面内受剪起到了一定的控制作用; 由图18可知,桥面主梁面外剪力最大值出现在 1 500 l 000 至 500 曩0 泳一500 —1 000 一l 500 (:\公公A A .j AN卜 ‘y\\ N N N、、刘\ N\1 、 O 50 100 150 200 250 300 350 400 顺桥向坐标/m 图1 7主梁面内剪力分布 ●拉索锚固处;一桥墩支座处;·跨中;一最大值;~最小值 12 000 9 000 量6 000 盏3 000 童0 爵一3 000 ”。一6 000 \:以一0,,卜令■二j人~、o/入、≯/。 O 50 100 1riO 200 250 300 350 400 顺桥向坐标/m 图20主梁面内弯矩分布 ●拉索锚固处;●桥墩支座处;·跨中;一最大值;一最小值 桥墩支座处,且此处剪力发生了较大突变,说明桥面主梁的面外剪力对桥墩有很大的影响;由图19可以看 出,桥面主梁的面外弯矩在桥墩支座处产生最大值,桥墩会因主梁较大的面外弯矩而受到扭转的作用;由 图20可以看出,桥面主梁的面内弯矩在桥面各固定部位皆受到了较好的控制,受力良好. 5.2桥墩的非线性反应结果分析 1)桥墩的受力校核.P1桥墩在伏在断层(m67—14)、(m67—15)地震波沿横桥方向作用下的曲率校核与 剪力校核分别如图21、图22所示. 可以看出:当伏在断层地震波沿横桥向作用时,桥墩各构件的曲率均在图21中所示的容许曲率范围 内,但桥墩部分构件的剪力超过了图22中所示的抗剪承载力,桥墩在地震中会发生剪切破坏,破坏位置如 图22中阴影部位所示,桥墩需要进行补强加固. 2)桥墩的非线性M一壬结果分析.在伏在断层(m67—15)地震波沿横桥向和铅直向二维输入时,P1桥 墩各端部构件的弯矩一曲率滞回曲线如图23所示. 由图23(a)、(b)得出:桥墩上横梁左、右两端部构件处于开裂状态,没有屈服.由图23(c)、(d)得出:桥 墩下横梁左、右两端部构件达到屈服状态.比较图23(e)--(L)可以得出:在桥墩柱各端部构件的弯矩一曲 0 O O O O O O 0 0 0 O O O O 0 0 O 0 0 l 4 7 7 4 1 2, l 2 昌N,I、墩静 万方数据 第1期 陶坤,等:尾道大桥在强震作用下的非线性动力反应研究 29 33.0 29 6 30.1 O.42 0.4l 0 32 O.30 1.09 O.53 O 29 0.17 O 4l 0.77 2.62 2 9 O.93 0.56 O.33 O.1l 0.46 O.44 0.29 0.25 0.54 l 13 3.76 66.2 49.6 45.2 38.7 35.9 30.1 图21 P1桥墩曲率校核(单位:10。4·m-1) 2 2 4 2 0 2 4 2.50 主1.25 2 0.00 培 钟一】.25 —2.50 鲁 Z ÷ b : 蝌 舯 么 韶 缪 r 8 —4 O 4 曲率,(1旷4-m。) (a)上横粱左端 衫缪 2.50麦】.252 0.00 摄 扑一1.25 —2.50 3 192 3 459 3 692 3 835 3 974 4078 4 131 4 11 8 4272 4 403 4 547 4 704 4 783 4 806 [j如 4 728 299l 4 309 2 58l l 940 2225 2427 2 575 2 717 2 819 2935 4755 4963 5 120 5 359 5 560 5 562 5 703 图22 P1桥墩剪力校核(单位:kN) 么 听 绉 //- 一4 0 4 8 曲率,(10一·111。) (b)上横梁右端 龟/ 卜///l∥ 9——6——3 0 3 6 9——4 曲率,(10-4 rn“) (d)下横粱右端 ./ ||/ 2 —1 O 1 2 曲率/(10·m。) (g)左侧下柱上端 /……』……一 ||j◆’ 2 l 0 1 啦率,(10。·m“) (j)右侧上柱下端 2.50 1.25 O.00 1.25 2.50 4 2 2 4 4 2 0 —2 —4 2.50 主1.25 2 0.00 埭 {扑一1.25 —2.50 、j勿j\‘纱 9——6——3 0 3 6 9 曲率,(10-4 m。) (c)下横粱左端 .夕 夕 一r ~~ 2 O 2 4 -2 曲率/(10-4 nl。) (e)左侧上柱上端 J 1.驴 纱 / 、 、~ 4 —2 0 2 4 曲率“10-4 ITI“) ’ (h)左侧下柱下端 ? |¨/ 2.50 1.25 O.OO 1.25 2.50 5.O 口 杰 2.5 2 0.0 拱 孙-2.5 —5.0 l 0 曲率,(10·m“) (f)左侧上柱下端 }∥ 么 沙…… 矽’ 2 一l O 曲率,(10一Ⅶ。) (i)右侧上柱上端 。驴 \ ∥ 2 —2 1 0 1 2 —5.0 曲率,(10~·m。) (k)右侧下柱上端 图23 P1桥墩各端部构件的弯矩一曲率滞回曲线 2.5 0 2.5 5.0 曲率/(10-4.m‘1) (L)右侧下柱下端 一gz÷|o_【一、丑;}龄一gz÷t0_【一、壤骱一gz产o_【一、裂舯 一gz÷,o一一\壤钟 一gz,o_【一、最静_【gz一|o_【一\壤静 一目z卑b1)/埭静 万方数据 青岛理工大学学报 第35卷 率反应中桥墩根部(eP下柱下端)的反应值相对较大,但仅达到开裂状态.综上分析,桥墩未发生弯曲破坏. 5.3主梁变形分析 在艺予(gy03)地震波的三维激励下,桥面主梁跨中沿顺桥方向的最大位移为21.2 iTlrn,沿铅直方向 的最大位移为283.2 l'nlTl,沿横桥方向的最大位移为319.2 mlTU主梁跨中沿各方向的位移时程曲线如图 24—26所示,可以看出,桥面主梁跨中位移在18 s后开始呈递减趋势,地震停止后,没有产生残余变形. 30 20 量10 登 。 一10 —20 j-.I J ¨Ih…。……一.w矿 m“”””…… 20 40 60 时间,s 图24沿顺桥向位移时程曲线 5.4桥墩的变形分析 在艺予(gy03)地震波的三维激励下,桥墩的最大位 移发生在沿顺桥方向作用时的桥墩顶部,最大位移为 152.6 mm,此时桥体的变形如图27所示.以P1桥墩上 横梁跨中为例,该处沿顺桥方向的位移时程曲线如图28 所示,该时程曲线大部分位于X轴线上方,说明桥墩在 地震作用下偏向一侧振动,最后地震停止时,在该偏振方 向产生了不可恢复的残余变形. 160 g 30 潍一100 q -230 ——360 1l………...一…1I ㈣皑。。!坚:”。::::1_i二…■二 150 100 墨50 藉 。 一50 —100 20 40 60 时间,s 图25沿铅直向位移时程曲线 一-Lr 【lf‰fllm舳……~…. 一Ⅵ1 ||{}删…”…’ 20 40 60 80 时间,s 图26沿横桥向位移时程曲线 一一.I 胁岫一,…1I ’-… 。z 0 2U 40 60 80 时Ihq/s 图27桥体结构反应变形 图28上横梁跨中位移时程曲线 6结论 1)采用瑞雷阻尼建立尾道大桥的阻尼矩阵,讨论了瑞雷阻尼系数求解过程中振型数据的选取问题,振 型数据选取需要综合考虑振型形状和有效质量比. 2)尾道大桥在地震作用下,上部桥面主梁处于弹性状态,但下部桥墩抗剪承载力不足,需要进行加固 处理. 3)桥面主梁跨中和桥墩在地震中均产生很大的位移,但是只有混凝土桥墩在震后产生了不可恢复的 残余变形,表现出钢桥在抗震方面较混凝土桥的优越性. (下转第36页) 万方数据 36 青岛理工大学学报 第35卷 [1]赵彬,林波荣,李先庭,等.建筑群风环境的数值模拟仿真优化设计D].城市规划汇刊,2002(2);57—58,61. ZHAO Bin,LIN Bo-rong,LI Xian-ting,et a1.Numerical simulation to optimize the design of buildings wind environment[J].Urban Planning Forum,2002(2):57—58·61. [2]宋明洁.城市中央商务区规划设计中室外风环境特性研究[D].天津:天津大学,2011:41—42. SONG Ming-ji色City central business district planning and design of outdoor wind environment characteristics[D].Tianjin..Tianjin U— niversity,2011:41—42. [3]陈小扬,郑彬,侯可明,等.建筑设计与自然通风[M].北京:中国电力出版社,2011:28. CHEN Xiao-yang,ZHEN Bin,HOU Ke-ming,et a1.Architectural design and natural ventilation[-M].Beijing:China Electric Power Press,2011:28. [4]GB/T 50378--2006,绿色建筑评价标准[S]. GB/T 50378--2006,Evaluation standard for green building[S]. (上接第30页) [1]杨春峰,郑文忠,于群.钢筋混凝土受弯构件塑性铰的试验研究[J].低温建筑技术,2003(1):38—40. YANG Chun-feng,ZHENG Wen-zhong,YU Qun.Research of plastic hinge of reinforced concrete bending structure[J].Low Tem— perature Architecture Technology,2003(1):38-40. 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