论文部分内容阅读
【摘 要】 本文以川口至大河家公路中一段立交桥为实际工程依托，利用Midas civil建立有限元模型，分析匝道在多方向地震输入时的地震响应。经过比较发现，若计入匝道切线方向的地震波可以使有限元分析更加准确。
【关键词】 匝道；多方向；地震作用
1.前言
地震时一种突发性、很难预测的自然灾害，对工程结构有很大的破坏作用。如何减少工程结构在地震中遭受的损害，是一个现实而又重大的问题。
我国高速公路为提供车辆进出主干线，往往要设置匝道方便交通，而在地震烈度较高的地区，曲线半径较小的匝道在地震力作用下很容易发生剪切破坏甚至倾覆。匝道的地震作用响应有着自身的特点，现阶段很多设计人员只是简单的对桥梁横向和纵向两个方向进行地震作用分析，而忽略了梁桥的曲线特点。众所周知，地震波从震源位置向四周扩散开来，由于震源位置的不确定性，处于地震作用范围内的桥梁可能受到任何方向的地震力作用。而在高烈度地区的匝道梁桥由于其曲线半径很小，故它不可能像普通直线梁桥一样只考虑横桥向和纵桥向的地震作用影响。其与主梁成切线方向的地震作用很可能大于水平方向上的，桥梁很容易因此方向的地震力而发生桥墩剪切破坏。为防患于未然，切线方向地震力作用也是设计者们的考虑重点。
2.工程概况
川口互通立交匝道是S307川口至大河家（省界）公路的起点，也是与S307川口至大河家（省界）公路的重要公路转换枢纽。该立交主线设计速度按80Km/h考虑，匝道设计速度采用为40Km/h。现取川口立交桥中最不利的A匝道5号、6号和7号桥墩，B匝道0号、1号、2号和3号桥墩进行抗震分析。
桥梁平面位于直线上，纵断面位于R=14000m的竖曲线上。B匝道采用预应力混凝土（后张）单箱梁，A匝道横断面采用混凝土（后张）三箱梁。A匝道根据需要设计为对向分隔式双车道，总宽15.5米，B匝道紧接A匝道，采用单向单车道，桥面宽8.5米。桥梁下部结构桥台采用重力式桥台，桥墩采用双圆柱墩。桥台采用扩大基础，桥墩采用桩基础。主梁采用C50混凝土，盖梁和桥墩采用C40混凝土。桥墩截面纵向钢筋采用HRB335钢筋、直径为φ28，箍筋直径为φ12，受力主筋保护层厚度为4cm。
3.有限元模型
为研究地震作用下匝道多角度的受力反应，采用Midas civil对匝道进行有限元分析，其中箱梁、盖梁、墩和承台均采用梁单元进行模拟；箱梁与盖梁之间采用的普通盆式支座用输入三个方向刚度的弹性连接模拟，桩土作用采用土弹簧进行模拟。箱梁采用C50混凝土，盖梁、系梁、承台以及空心薄壁墩采用C30混凝土。其材料弹性模量分别为3.45e4和3.00e4MPa。由于要考虑主梁切线方向的地震作用，所以在反应谱荷载工况中加入与主梁相切的20度和160度地震荷载工况。
为便于描述，将B匝道0号、1号、2号和3号桥墩和A匝道5号、6号和7号桥墩按顺序分别记为1至7号墩。其中2、3、5和6号为墩梁固结，其余均安装盆式橡胶支座。
4.抗震分析概述
由于进行的是抗震分析，故不考虑施工阶段各种影响，只考虑成桥状态下的自重和二期恒载（包括桥面铺装和栏杆）的作用。
根据《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01-2008）的有关规定，对桥梁进行结构抗震性能分析可以用设计加速度反应谱、设计地震动时程和设计地震动功率谱表征。本文中采用反应谱法进行地震反应分析。
川口互通立交桥所在区域抗震设防类别为B类，所在区域抗震设防烈度为Ⅶ度，地震动峰值加速度为0.10g，设计地震分组为第三组；地震动反应谱特征周期值为0.45s。属地震活动强烈地区，根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第4.1.6条判定，场地类别为Ⅱ类。振型组合方式采用CQC方法来计算地震作用效应。
5.抗震分析结果对比
（1）结构动力分析
（2）地震作用下桥墩最不利内力
为了便于描述比较，将横桥向地震力和与桥梁曲线相切的20度、160度方向的地震力进行对比，并分别将其记为工况一至工况三。
根据上表可以看出，工况二作用下地震力要明显比工况一的大，说明考虑20度方向的地震力输入对桥梁结构更偏安全，而工况三作用下前4个桥墩的弯矩影响也要大于工况一。由表可以得出，地震作用下忽略切线方向地震力对桥墩结构不安全。
根据桩基最不利受力表格可以看出，切线方向的地震力输入相比于横桥向相差不是很大。只是在固定墩的桩基处弯矩相对于工况一的要大很多。说明总体上相对于桥墩，桩基受切线方向地震力的影响较小。但是在墩梁固结的桩基影响较大。
6.结论
通过增加两个方向地震力输入的桥梁有限元模型分析比较，可以得出如下结论：
1.考虑切线方向的地震力对于桥墩的影响较大，忽略该方向地震力对于桥梁抗震设计偏于危險，而对于桩基则影响较小。
2.桥梁切线方向的地震力产生的桥梁梁端位移相对于横桥向的要更大，虽然适当的梁端位移可以耗能以减小地震作用影响，但梁端位移过大可能导致相邻梁体碰撞甚至引发落梁现象，这是非常危险的，故应避免梁端位移过大。
参考资料：
[1]中华人民共和国交通运输部.JTG/T B02-01-2008公路桥梁抗震细则[S].北京：人民交通出版社，2008
[2]范立础，王志强.桥梁减隔震设计[M]，北京：人民交通出版社，2001
[3]R.W.克拉夫，J.彭津.结构动力学[M].王光远译.北京：科学出版社.1981：100～102
[4]方海，李升玉，王署光，刘伟庆.高烈度区连续梁桥的减隔设计方法研究[J]，地震工程与工程振动，2005，25（6）：178-182
【关键词】 匝道；多方向；地震作用
1.前言
地震时一种突发性、很难预测的自然灾害，对工程结构有很大的破坏作用。如何减少工程结构在地震中遭受的损害，是一个现实而又重大的问题。
我国高速公路为提供车辆进出主干线，往往要设置匝道方便交通，而在地震烈度较高的地区，曲线半径较小的匝道在地震力作用下很容易发生剪切破坏甚至倾覆。匝道的地震作用响应有着自身的特点，现阶段很多设计人员只是简单的对桥梁横向和纵向两个方向进行地震作用分析，而忽略了梁桥的曲线特点。众所周知，地震波从震源位置向四周扩散开来，由于震源位置的不确定性，处于地震作用范围内的桥梁可能受到任何方向的地震力作用。而在高烈度地区的匝道梁桥由于其曲线半径很小，故它不可能像普通直线梁桥一样只考虑横桥向和纵桥向的地震作用影响。其与主梁成切线方向的地震作用很可能大于水平方向上的，桥梁很容易因此方向的地震力而发生桥墩剪切破坏。为防患于未然，切线方向地震力作用也是设计者们的考虑重点。
2.工程概况
川口互通立交匝道是S307川口至大河家（省界）公路的起点，也是与S307川口至大河家（省界）公路的重要公路转换枢纽。该立交主线设计速度按80Km/h考虑，匝道设计速度采用为40Km/h。现取川口立交桥中最不利的A匝道5号、6号和7号桥墩，B匝道0号、1号、2号和3号桥墩进行抗震分析。
桥梁平面位于直线上，纵断面位于R=14000m的竖曲线上。B匝道采用预应力混凝土（后张）单箱梁，A匝道横断面采用混凝土（后张）三箱梁。A匝道根据需要设计为对向分隔式双车道，总宽15.5米，B匝道紧接A匝道，采用单向单车道，桥面宽8.5米。桥梁下部结构桥台采用重力式桥台，桥墩采用双圆柱墩。桥台采用扩大基础，桥墩采用桩基础。主梁采用C50混凝土，盖梁和桥墩采用C40混凝土。桥墩截面纵向钢筋采用HRB335钢筋、直径为φ28，箍筋直径为φ12，受力主筋保护层厚度为4cm。
3.有限元模型
为研究地震作用下匝道多角度的受力反应，采用Midas civil对匝道进行有限元分析，其中箱梁、盖梁、墩和承台均采用梁单元进行模拟；箱梁与盖梁之间采用的普通盆式支座用输入三个方向刚度的弹性连接模拟，桩土作用采用土弹簧进行模拟。箱梁采用C50混凝土，盖梁、系梁、承台以及空心薄壁墩采用C30混凝土。其材料弹性模量分别为3.45e4和3.00e4MPa。由于要考虑主梁切线方向的地震作用，所以在反应谱荷载工况中加入与主梁相切的20度和160度地震荷载工况。
为便于描述，将B匝道0号、1号、2号和3号桥墩和A匝道5号、6号和7号桥墩按顺序分别记为1至7号墩。其中2、3、5和6号为墩梁固结，其余均安装盆式橡胶支座。
4.抗震分析概述
由于进行的是抗震分析，故不考虑施工阶段各种影响，只考虑成桥状态下的自重和二期恒载（包括桥面铺装和栏杆）的作用。
根据《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01-2008）的有关规定，对桥梁进行结构抗震性能分析可以用设计加速度反应谱、设计地震动时程和设计地震动功率谱表征。本文中采用反应谱法进行地震反应分析。
川口互通立交桥所在区域抗震设防类别为B类，所在区域抗震设防烈度为Ⅶ度，地震动峰值加速度为0.10g，设计地震分组为第三组；地震动反应谱特征周期值为0.45s。属地震活动强烈地区，根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第4.1.6条判定，场地类别为Ⅱ类。振型组合方式采用CQC方法来计算地震作用效应。
5.抗震分析结果对比
（1）结构动力分析
（2）地震作用下桥墩最不利内力
为了便于描述比较，将横桥向地震力和与桥梁曲线相切的20度、160度方向的地震力进行对比，并分别将其记为工况一至工况三。
根据上表可以看出，工况二作用下地震力要明显比工况一的大，说明考虑20度方向的地震力输入对桥梁结构更偏安全，而工况三作用下前4个桥墩的弯矩影响也要大于工况一。由表可以得出，地震作用下忽略切线方向地震力对桥墩结构不安全。
根据桩基最不利受力表格可以看出，切线方向的地震力输入相比于横桥向相差不是很大。只是在固定墩的桩基处弯矩相对于工况一的要大很多。说明总体上相对于桥墩，桩基受切线方向地震力的影响较小。但是在墩梁固结的桩基影响较大。
6.结论
通过增加两个方向地震力输入的桥梁有限元模型分析比较，可以得出如下结论：
1.考虑切线方向的地震力对于桥墩的影响较大，忽略该方向地震力对于桥梁抗震设计偏于危險，而对于桩基则影响较小。
2.桥梁切线方向的地震力产生的桥梁梁端位移相对于横桥向的要更大，虽然适当的梁端位移可以耗能以减小地震作用影响，但梁端位移过大可能导致相邻梁体碰撞甚至引发落梁现象，这是非常危险的，故应避免梁端位移过大。
参考资料：
[1]中华人民共和国交通运输部.JTG/T B02-01-2008公路桥梁抗震细则[S].北京：人民交通出版社，2008
[2]范立础，王志强.桥梁减隔震设计[M]，北京：人民交通出版社，2001
[3]R.W.克拉夫，J.彭津.结构动力学[M].王光远译.北京：科学出版社.1981：100～102
[4]方海，李升玉，王署光，刘伟庆.高烈度区连续梁桥的减隔设计方法研究[J]，地震工程与工程振动，2005，25（6）：178-182