结构工程师
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桁架桥梁结构的地震时程分析

  摘要:为了达到桁架桥梁结构的抗震设防目标,不仅要确定合理的计算模型和结构分析方法,而且要选择合适的地面地震波输入,通过SAP2000软件研究和分析桁架桥梁结构的地震时程反应,同时提出桥梁抗震可能的措施和方法。


  关键词:桁架桥梁结构 时程反应分析 桥梁抗震Abstract: In order to achieve the truss bridge structure seismic fortification, it’s not only to determine the reasonable calculation model and structure analysis method, but also to choose a suitable ground seismic wave input, through the SAP2000 software research and analysis of truss bridge structure seismic time-history response, and puts forward some possible measures and methods on the bridge seismic .


  Key words: truss bridge structure; time-history analysis; bridges anti-seismic桁架桥梁结构在抗震设防地区,需要进行抗震设计,因此需要分析桁架桥梁结构在地震作用下的动力反应。地震反应分析包括弹性阶段的反应谱分析法和弹性阶段的时程分析法。为了进行大震下的弹塑性验算,常需要用动力时程分析法进行计算。对于不同地震波,结构地震反应的计算结果可能差别很大,所以用地震时程反应分析法进行桁架结构分析和结构抗震设计时,必须根据桁架桥梁结构的场地特征,合理选择地震波。


  在一定地震设防烈度的场地,桁架桥梁结构要求满足不同的抗震设防水准。在地震时程分析中,需要根据不同的抗震设防水准来确定合理的地震波。对桁架桥梁结构抗震分析中选用地震波的有关方法进行分析研究,同时通过SAP2000软件对一座桁架结构桥梁进行地震时程反应模拟分析,并提出了几种可能的桥梁抗震的方法。


  1、确定地震波的方法通常是选择3条以上相似场地上的实际地震动加速度记录。根据桁架桥梁场地的地震特性以及不同烈度水准下的地震动峰值,在时域进行频率调整或幅值调整。其中频率调整是地震动时程的时间步长的调整;幅值调整是将地震动加速度时程各时刻的值按一定比例放大或缩小,使其峰值加速度等于设计地震动加速度峰值,这种调整只是针对原地震波的幅值强度进行的,基本保留了实际地震动记录的频谱特征。这种对原有地震波的简单调整,其优点是操作简单,但也存在一些问题,比如:对某一烈度的抗震设防水准,尽管最后得到的各地震动时程的加速度峰值相同,但是其频谱特性并不能较好地控制,从而使地震反应谱的差别较大。这样求得的桁架桥梁结构地震反应的离散性大,主要是因为加速度峰值反映的是地震波的强弱,并不能全部反映地震波的其它属性。


  2、合成人工地震波2.1 根据场地的地面目标反应谱的迭代调整方法合成人工地震波,按0~2π之间随机均匀分布的相位角谱合成人工地震波,这是一种比较常用的地震波合成方法,即将地面设计反应谱作为目标谱SA(ωk),以0~2π均匀分布的随机数作为初始相位角,用三角级数法合成地震动,然后乘以给定的函数,通过反复迭代调整来拟合生成反应谱与目标反应谱一致的人工地震波。这种常规方法合成的地震波对没有地震记录的场地,可以方便提供时程分析需要的地震波。


  2.2 采用实际地震波的相位角谱,这是选择实际地震记录,取其相位角作为初始相位角。然后同前面一样,根据场地地面的目标反应谱,用三角级数法来拟合目标反应谱。这是对实际地震波的一种综合调整,同时也是对实际地震波一种较好的调整方法。


  2.3 按其它概率分布类型的相位差谱合成人工地震波。在常规合成方法中,采用均匀分布的初始随机相位角谱可能会不太准确。由于相位角的分布规律难确定,而相位差的分布规律明显,所以根据相位差谱的分布规律来确定初始相位角,这种合成的地震波与真实地震波比较接近。www.17net.net 论文代写3、软件模拟分析通过SAP2000软件建立一座跨径为5×12 m、宽度为12m的桁架桥梁结构模型,桥梁面板采用厚度为0.12m的膜,桁架型钢选用角钢,桥面板面部均布荷载设为70KN,振动阻尼设为0.05,桥梁支座采用一端固定铰一端滑动铰设计,在地震时程反应下分析桁架桥梁结构的变形和振形情况,以及内力图、反应谱曲线图和分析数据(见下图1—7及表1)。


  4、提出抗震措施由SAP2000软件对桁架桥梁结构的地震时程反应分析数据和图形可知,桥梁的抗震设计在桥梁设计中很重要,桥梁的抗震设计分两阶段进行:第一阶段进行抗震概念设计,选择一个较理想的抗震结构体系;第二阶段进行延性抗震设计,并进行抗震验算,必要时进行减、隔震设计提高结构的抗震能力。


  4.1 由于地震发生的复杂性和不确定性,再加上结构计算模型的假定与实际情况的差异,所以很难控制结构的抗震性能,因而不能完全依赖计算设计。因此在桁架桥梁的方案设计阶段,不能仅根据静力计算就决定方案,还应考虑桁架桥梁的抗震性能和特性,尽可能选择良好的抗震结构体系,并注意衔接部位的抗震设计要求。


  为了保证所选的结构体系在桁架桥梁所处的场地条件下是良好的抗震体系,故必须进行一定的动力特性分析和地震反应评估,然后通过结构设计分析结构的抗震薄弱部位,并分析是否能符合设计规范, 保证薄弱部位的抗震安全性,最后根据分析结果综合评测结构体系抗震性能的优劣, 决定是否要修改其设计方案。


  4.2 采用常用的抗震设计方法,例如增加结构的阻尼、增加结构的柔性或能量耗散能力来减小由于地震所引起的结构反应。目前比较有效的抗震方法主要有以下几种:


  4.2.1 采用隔震支座和阻尼器相结合的方法。利用桥墩在地震作用下发生弹塑性变形耗散地震能量来达到减震的目的,利用桥墩的延性抗震。


  4.2.2 采用隔震支座。采用减、隔震支座在梁体与墩、台的连接处增加结构的柔性和阻尼以减小桥梁的地震反应;采用减、隔震支座桥梁结构的梁体通过支座与墩、台相连结,大量的试验和研究分析都表明其连结方式对桥梁结构的地震反应影响较大,在梁体与墩、台的连结处安装减、隔震支座能有效地减小墩、台所受的水平地震力。


  4.2.3 利用桥墩延性减震。利用桥墩的延性减震是当前桥梁抗震设计中常用的方法,桥墩延性减震是将桥墩某些部位设计得具有足够的延性,以便在强震作用下使这些部位形成稳定的塑性铰产生弹塑性变形来延长结构周期及耗散地震能量。


  4.3 采用新型桥梁抗震设计方法。传统桥梁的抗震设计,是从强度和延性等方面来确保桥梁具有足够的抗震能力的。由于桥梁结构的实际抗震能力和地震作用难以评测,因而桥梁结构在地震中破坏的案例比较多。比如桥梁采用钢管混凝土结构就是一个比较好的选择,它的承载能力优于同等条件下的普通钢筋混凝土构件,并具有良好的抗剪和延性,耗能能力也比较好,是一种可以考虑的桥梁结构。


  5、结论地震波的反应谱是地震动属性的反映,在地震时程反应分析法进行抗震验算时,输入地震波的反应谱应与规范中的设计反应谱一致。由于实际地震波经过简单的调整,并不能保证其反应谱与设计反应谱一致。经桁架桥梁结构的有关地震反应时程分析表明,输入综合调整过的地震波,结果比较接近。根据各种地震动合成方法在SAP2000软件中分析研究发现,在对一般桁架桥梁结构工程进行地震时程反应分析和抗震验算时,推荐优先考虑选择实际地震波,经反应谱的迭代调整和拟合来确定,这样才能让我们的结果具有一定的研究意义。


  参考文献:


  [1]谢 旭。桥梁结构地震响应分析与抗震设计[M].北京:人民交通出版社,2005.


  [2]刘小弟。苏经宇。具有天然地震特征的人工地震波研究[J] .工程抗震,1992.


  [3]JTG D50—2004,公路桥涵设计通用规范[S].


  [4]范立础。桥梁抗震[M].上海。同济大学出版社,1997.


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