地震作為一種自然災害其危害極大。橋梁工程是重要生命線工程,其破壞不僅會威脅人們的財產(chǎn)甚至生命安全,還會給地震的災后重建帶來巨大困難,給整個社會帶來巨大損失。因此,在地震中確保橋梁具備充分的抗震能力和合理的安全性,從而減少因災害造成的損失是工程和學術界備受關注的問題[1~4]。
為充分了解橋梁在地震作用下的響應,利用有限元程序ANSYS分析鋼桁架橋梁在地震作用下的動力性能。
對一座跨徑66 m簡支鋼桁架橋進行分析。該橋?qū)?0 m、長66 m、高11 m,每個節(jié)段長11 m,地震烈度為7度。見圖1和圖2。
圖1 橋型布置
圖2 桿件構(gòu)造
橋面板采用C50混凝土,E=3.5×1010N/m2,μ=0.166 7,ρ=2 500 kg/m3。桿件采用H型截面,所用鋼材為16Mnq,E=2.06×1011N/m2,μ=0.3,ρ=7 800 kg/m3。橋梁阻尼比為0.03。
重力加速度g為9.8 m/s2。采用EL Centro地震波,時間間隔0.02 s,總時長15 s,記錄信號為豎向加速度。按0.1 s間隔提取一共150個數(shù)據(jù),在輸入計算前先在對原始數(shù)據(jù)進行處理。
基本烈度為7度時,地面水平加速度峰值a為0.1g或0.15g,取平均值0.125g。但是EI Centro地震記錄的峰值豎向加速度為avmax=200.000 4 cm/s2。所以,須先把實際地震記錄的加速度峰值轉(zhuǎn)換為所需烈度對應的加速度峰值后再進行計算。已知水平地震系數(shù)KH=0.1,豎向地震系數(shù)KV=0.05,得到av=a/2。對于EI Centro地震記錄
該記錄應該乘以0.306 25后使用。
桁架橋各桿件采用BEAM188單元劃分,橋面板用SHELL63單元劃分。有限元模型見圖3。
圖3 桁架橋有限元網(wǎng)格劃分
施加自重力場,變形見圖4。
圖4 自重作用下橋梁變形情況
橋梁的最大位移出現(xiàn)在前面板的中間部位,最大位移為5.28 cm。橋梁在自重作用下的應力見圖5。
圖5 在自重作用下橋梁的應力情況
橋梁的最大應力出現(xiàn)在左端約束部位,最大應力為18.3 MPa;其他各位置應力均很小。
獲得前五階的頻率和對應的振型。見表1和圖6-圖10。
表1 橋梁的前五階頻率
圖6 橋梁的第一階振型
圖7 橋梁的第二階振型
圖8 橋梁的第三階振型
圖9 橋梁的第四階振型
圖10 橋梁的第五階振型
加載讀入地震波文件,可以得到到節(jié)點X、Y方向和總體的最大位移及其作用位置,同時可以得到最大等效應力以及作用位置。
1)X方向位移。最大位移發(fā)生在第127步荷載時,見圖11。位移最大為175號節(jié)點,最大位移為3.255 mm。該節(jié)點的時間歷程曲線見圖12。從圖12中可以得到,除了在第127步荷載下節(jié)點達到最大位移外,其他時刻節(jié)點位移基本為最大位移的一半。
圖11 橋梁X方向的最大位移
圖12 橋梁X方向175號節(jié)點位移時間曲線
2)Y方向位移。最大位移發(fā)生在第137步荷載時,見圖13。位移最大點179號節(jié)點,最大位移為5.752 mm。該節(jié)點的時間歷程曲線見圖14。從圖14可以得到,在第2~6 s之間,該節(jié)點的位移較大,其他時刻節(jié)點位移較小。
圖13 橋梁Y方向的最大位移
圖14 橋梁Y方向179號節(jié)點位移時間曲線
3)節(jié)點總體最大位移。最大位移發(fā)生在第126步荷載時,見圖15。位移最大為175號節(jié)點,最大位移為6.556 mm。
圖15 橋梁總體最大位移
4)最大等效應力。節(jié)點最大等效應力發(fā)生在第106步荷載時,見圖16。最大等效應力出現(xiàn)在左端支座節(jié)點處,最大等效應力值為1.52 MPa。
圖16 橋梁最大等效應力
1)該橋第一階振型自振周期長,固有頻率低,在地震響應中占了較大比例。
2)在地震作用下,節(jié)點的最大位移和最大等效應力均小于橋梁在其自重作用下的值。
3)在地震作用下,橋梁最大應力發(fā)生在支座附近處;而跨中處應力較小,不控制設計。
4)無論在哪種激勵下,結(jié)構(gòu)的最大位移值均不超過容許位移值且各單元的最大軸力值均小于最大容許應力值。
因此,可判斷該桁架橋梁在7度地震作用下具有較好的抗震性能。