基于midascivil的預(yù)應(yīng)力空心板簡(jiǎn)支梁橋抗震性能分析

1結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)有限元法是一種將復(fù)雜對(duì)象合理地離散、分析和解決復(fù)雜問(wèn)題的數(shù)值分析法。它對(duì)分析許多難學(xué)問(wèn)題具有明顯的優(yōu)勢(shì)，在科學(xué)研究和工程計(jì)算中得到廣泛應(yīng)用。在大多數(shù)大規(guī)模的商業(yè)有限軟件中，midas系列軟件是基于有限元理論的分析和設(shè)計(jì)軟件。目前，midas系列軟件包括建筑物（gen）、橋梁（civil）、巖石隧道（gts）、機(jī)械（mec）、基礎(chǔ)（sds）、有限網(wǎng)格劃分（cf）和其他軟件。midas進(jìn)城橋是針對(duì)土結(jié)構(gòu)的特殊形式，尤其是分析能力箱橋、懸索橋、斜塔橋等。同時(shí)，不僅可以分析非線性邊界分析、水化熱分析、材料非線性分析、靜力彈簧分析和動(dòng)態(tài)彈簧塑料分析，以便快速準(zhǔn)確地完成類似結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)，以填補(bǔ)目前土結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)軟件市場(chǎng)的空白，并開(kāi)發(fā)“特定結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件”。這項(xiàng)工作的重點(diǎn)是分析城市橋梁的結(jié)構(gòu)和抗彎性能。2設(shè)計(jì)建?；诳招陌宓暮?jiǎn)單支架橋結(jié)構(gòu)2.1橋橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)某城市公路橋梁上部結(jié)構(gòu)采用20+20+17.5=57.5m的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板,簡(jiǎn)支橋面連續(xù),該橋設(shè)有2道橋面連續(xù),在0#和3#橋臺(tái)留有2道D-80型伸縮縫.橋面鋪裝層采用10cmC40防水混凝土,橫坡為2%,橋頭與兩側(cè)道路順接相連;全橋采用板式橡膠支座,每片空心板下均設(shè)置4個(gè);下部采用雙柱式橋墩,樁柱式輕型橋臺(tái),鉆孔灌注嵌巖樁基礎(chǔ).此處應(yīng)用商業(yè)有限元軟件Midas/Civil進(jìn)行建模分析.該模型以縱橋向?yàn)閄軸,橫橋向?yàn)閅軸,豎向?yàn)閆軸(見(jiàn)圖1).各構(gòu)件與模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下:①考慮到地震作用下,主梁以平動(dòng)為主,因此將主梁用單梁模型模擬,將二期恒載和附加構(gòu)件用質(zhì)量模擬;②橋墩、蓋梁、系梁、樁基均采用空間梁?jiǎn)卧M(材料特性和截面特性分別見(jiàn)表1和表2);③考慮土體(包括巖石)對(duì)樁基的作用:土體用彈簧模擬,忽略阻尼和剛度特性的影響,其中彈簧剛度依據(jù)“m法”取值;④按支座實(shí)際位置和性能模擬邊界條件,支座剛度根據(jù)實(shí)際情況求得.2.2結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性橋梁的動(dòng)力特性主要指橋梁的固有頻率、周期,以及振型等,是結(jié)構(gòu)本身所固有的.動(dòng)力特性取決于橋梁結(jié)構(gòu)的組成體系、剛度、質(zhì)量、質(zhì)量分布以及支承條件等.動(dòng)力特性分析,實(shí)際是對(duì)動(dòng)力學(xué)基本方程進(jìn)行求解,得到多自由度體系的特征值的過(guò)程,即得到結(jié)構(gòu)的固有頻率(或周期)和振型.橋梁動(dòng)力特性分析是研究橋梁振動(dòng)問(wèn)題的基礎(chǔ),為了計(jì)算地震作用下的結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng),必須首先計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性.根據(jù)圖1預(yù)應(yīng)力空心板簡(jiǎn)支梁橋的動(dòng)力有限元模型計(jì)算其動(dòng)力特性,該橋前20階典型的自振頻率及振型特征見(jiàn)表3.3主要結(jié)構(gòu)參數(shù)按照《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2001)第1號(hào)修改單對(duì)工程所在地區(qū)地震動(dòng)參數(shù)的相關(guān)規(guī)定,調(diào)整后該地區(qū)基本地震動(dòng)峰值加速度為0.15g.按照《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》中5.3.7第一條規(guī)定“處于交通樞紐的其余橋梁應(yīng)劃分為重點(diǎn)設(shè)防類”,另根據(jù)3.0.3第二條規(guī)定“重點(diǎn)設(shè)防類,應(yīng)按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度一度的要求加強(qiáng)其抗震設(shè)施”.因此,本橋按7°(0.15g)計(jì)算,按8級(jí)采取抗震設(shè)防措施.此外,根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/TB02-01-2008)表3.1.2,本橋?yàn)镃類橋梁,由表3.1.1知,本橋的抗震設(shè)防目標(biāo)為:E1地震作用下,一般不受損壞或不需修復(fù)可繼續(xù)使用;E2地震作用下,應(yīng)保證不致倒塌或產(chǎn)生嚴(yán)重結(jié)構(gòu)損傷,經(jīng)臨時(shí)加固后可供維持應(yīng)急交通使用.抗震計(jì)算采用加速度反應(yīng)譜方法.根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/TB02-01-2008)表3.1.4-2,C類橋梁的抗震重要性系數(shù),E1地震作用下為0.34,E2地震作用下為1.0;根據(jù)地質(zhì)資料,本橋場(chǎng)地類型為Ⅱ類,由表5.2.2,場(chǎng)地系數(shù)為1.0;根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃圖》(GB18306-2001圖B1),特征周期為0.45s,由表5.2.3,設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜特征周期調(diào)整值為0.45s;本橋?yàn)榛炷翗蛄?阻尼比為0.05,由式5.2.4,阻尼調(diào)整系數(shù)為1.0;又知,水平向設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)加速度峰值為0.15g.綜上,由式5.2.1可確定阻尼比為5%的設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜,見(jiàn)圖2.根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/TB02-01-2008)5.1.1條第一款:一般情況下,公路橋梁只考慮水平地震作用,直線橋分別考慮順橋向、橫橋向的地震作用.依據(jù)截面配筋,對(duì)E1、E2階段,分別驗(yàn)算該橋各控制截面(墩身、蓋梁、系梁及樁身截面)的抗彎、抗剪能力,以及支座厚度和抗滑穩(wěn)定性.3.1座厚度和抗彎穩(wěn)定性驗(yàn)算表4~9給出了E1階段,該橋各控制截面的抗彎、抗剪能力,以及支座厚度和抗彎穩(wěn)定性的驗(yàn)算結(jié)果.可以看出:各截面最小抗彎安全系數(shù)為2.28,最小抗剪安全系數(shù)為5.56,支座厚度安全系數(shù)最小為1.15,支座抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)最小為1.80,均滿足規(guī)范要求.3.2控制截面抗彎抗剪能力驗(yàn)算經(jīng)計(jì)算可知,橋梁結(jié)構(gòu)在E2階段并未出現(xiàn)塑性鉸,因此對(duì)各構(gòu)件的強(qiáng)度均進(jìn)行驗(yàn)算.表10~15給出了E2階段,該橋各控制截面的抗彎、抗剪能力,以及支座厚度和抗彎穩(wěn)定性的驗(yàn)算結(jié)果.可以看出:各截面最小抗彎安全系數(shù)為1.01,最小抗剪安全系數(shù)為1.90,支座厚度安全系數(shù)最小為1.09,支座抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)最小為1.40,均滿足規(guī)范要求.4抗沖層性能及抗剪性能的一般要求通過(guò)對(duì)該城市公路橋梁結(jié)構(gòu)的抗震分析可知,在E1、E2地震作用下,本橋各控制截面的抗彎能力、抗剪能力,以及支座厚度和抗彎穩(wěn)定性均滿足《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/TB02-01-2008)的要求,抗震性能良好.并建議采用如下抗震措施:(1)梁端至蓋梁、臺(tái)帽邊緣應(yīng)有一定的距離,其最小值a(cm)應(yīng)滿足:a≥70+0.5L,其中,L為梁的計(jì)算跨徑(m).(2)橋臺(tái)臺(tái)帽應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng),并在梁與梁之間和梁與橋臺(tái)臺(tái)帽之間加裝橡膠墊