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不同墩高桥墩结构的地震反应浅析

作者：陈特日期：2015-12-08 11:15 来源：未知

摘要：以一典型桥墩结构为例，采用通用有限元程序 Abaqus建立桥墩结构空间有限元计算模型，采用动态时程分析法对不同墩高桥墩结构进行地震反应分析，着重讨论不同地震动输入下不同高度桥墩的底部内力以及墩顶变形的地震反应变化规律，分析结果为同类桥梁结构的抗震设计提供理论依据。
关键词：桥墩  墩高  地震反应
0 引言
随着经济的高速发展，对交通线的依赖性越来越强，而一旦地震使交通线遭到破坏，可能导致的生命财产以及间接经济损失也将会越来越巨大,四川震害经验表明，桥墩破坏是桥梁结构丧失承载力甚至垮塌的重要因素，因此，确保桥墩的抗震安全性尤为重要。本文以一典型桥墩为例，采用有限元程序Abaqus建立桥墩结构空间有限元计算模型，采用动态时程分析法对不同墩高桥墩结构进行地震反应分析，着重讨论不同地震动输入下不同高度桥墩的底部内力以及墩顶变形的地震反应变化规律，分析结果为同类桥梁的抗震设计提供理论依据。
1 Abaqus 建模过程介绍
Abaqus 是世界上最先进的大型通用有限元分析软件之一，拥有丰富的本构模型及平易的开发平台，应用已十分广泛；Abaqus 建模方法步骤较简单，运算结果又精确，下面对其建模过程及相应原理进行介绍：Abaqus 有限元软件依次通过前处理阶段、分析问题阶段和后处理阶段这三个阶段分析问题，组成这三个阶段的模块有：部件、特性、装配分析步、相互作用、荷载、网格、分析作业、可视化和绘图。具体过程如下：
（1）创建三维模型
第一步：创建部件。先点击创建部件按钮，在弹出对话框里输入部件名称，将模型所在空间设置成为三维。在保持其他参数不变的情况下，进入二维绘图界面。第二步：绘制二维图形。进入二维绘图环境以后，在绘图区绘出需要的模型完成具体的二维图形，然后点击保存按钮进行保存。第三步，生成三维模型。在原先二维的基础上，进行相关操作生成三维模型。
（2）创建材料和截面属性
在模块列表中选择“特性”功能模块，此模块中可以定义材料本构模型及截面属性，并将截面属性赋予到相应的区域上面。
第一步，创建材料，需要设置材料的力学特性。第二步，创建截面属性。需要设置材料截面的种类，比如实体还是空心体等。
第三步，给部件赋予相应的属性。部件属性的赋予原理同截面属性的赋予原理。赋予前应该选择具体的部件位置。
（3）定义装配件及设置分析步
第一步：定义装配件。在环境栏中的模型列表中，选择装配功能，绘图区显示三维图形。第二步：同样在环境栏中的模型列表中，选择分析步功能模块。在分析过程中，定义第一步、第二步等，方便将来更好的查询与修改。
（4）定义荷载和边界条件
在环境栏中的模型列表中选择荷载一选项，按照模型的实际承受荷载情况进行设置，有集中力、均布荷载、梯形荷载、均布面载等。设置边界条件，也是从模型列表中选择设置边界选项，主要为构件施加初始约束。边界条件主要有位移、转角等形式。
（5）划分网格
划分网格主要是将整体进行网格划分，把整个构建划分成有限的小单元，便于计算分析。划分网格是很重要的一步，网格划分情况对分析结果的精度有很大影响。网格越密，计算月精确但是需要的时间越长。这样就为了提高计算精度付出降低了计算效率的代价。所以在进行网格划分时应该平衡两者之间的关系。
（6）计算并进行后处理
网格划分之后，点击“计算”按钮即可进入计算机计算环节。计算之后，通过后处理得到应力云图、以及应力、应变随着时间变化的关系图等。后处理就是计算结果的提取与分析过程。
2 地震反应分析方法
2.1  反应谱法
反应谱法是将结构振动方程进行振型分解，得到一系列用振型广义坐标表示物理位移的单自由度方程，由单自由度的地震动反应谱求得广义坐标的最大值，最后通过适当的方法将各振型反应最大值组合起来得到响应量的值。
反应谱方法通过反应谱概念巧妙地将动力问题静力化，概念简单，计算方便，可以用较少的计算量获得结构的最大反应值，目前世界各国规范都把它作为一种基本的分析手段。但是，反应谱方法也存在一些缺陷。如:反应谱只是弹性范围内的概念，当结构在强烈地震下进入塑性工作阶段时即不能直接应用;另一方而，地震作用是一个时间过程，但反应谱方法只能得到最大反应，不能反映结构在地震动过程中的经历，也不能反映地震动
持续时间的影响;对多振型反应谱法，还存在振型组合问题等。
2.2  动态时程分析法
动态时程分析法是随着强震记录的增多和计算机技术的广泛应用而发展起来的，是公认的精细分析方法。动态时程分析法将地震动记录或人工波作用在结构上，直接对结构运动方程进行积分，求得结构任意时刻地震反应的分析方法，所以动态时程分析法也称为直接积分法。根据分析是否考虑结构的非线性行为，动态时程分析法又可分为线性动力时程分析和非线性动力时程分析两种，但不管是那一种，分析过程都需要借助计算机程序完成。
3 计算模型及地震波的选择
3.1  计算模型
以一座典型连续梁桥为例，取其一桥墩进行分析，墩高分别为 20m、 25m、 30m，墩身截而为矩形，外围尺寸分别为4.0 m×2.5 m，沿墩高截而保持不变。有限元计算模型均以顺桥向为X轴，横桥向为Z轴，竖向为Y轴，墩柱采用空间梁单元模拟，计算采用Abaqus程序，20m高桥墩模型见图 1所示。

图1 20m高桥墩Abaqus模型
3.2 地震波的选择
目前，在抗震分析中有关地震动加速度时程的选择主要有3 种方法：直接利用强震记录、采用人工地震加速度和规范标准化地震加速度时程。本文直接采用强震记录方法进行地震响应分析。计算采用3 条实测地震波，即Artificial波、Kobe波和Sakaria波。
4 不同高度桥墩的地震反应分析
由第 2 节知，地震反应分析方法有反应谱法和动态时程分析法，本文主要采用反应谱法进行分析：根据震害经验，对于墩顶自由的桥墩，在地震作用下桥墩底部容易出现破坏，为墩顶变形最大，在桥墩抗震设计中，既要控制墩底的内力，同时也要使墩顶位移在合理的范围内。因此，以下着重讨论不同地震动输入下不同高度桥墩的墩顶位移、墩底最大反力及墩底最大剪应力的地震反应规律。
经研究分析发现：（1）在同一条地震波作用下，随着墩高的变化，墩顶位移虽然不是单调变化，但总体上随着墩高的增大，墩顶位移逐渐增大。可见，随着墩高的增大，结构刚度减小，变形增大。（2）在 Artificial 波和 Sakaria 波作用下，随着墩高的变化，墩底反力单调增大，当墩高为30m 时，Artificial波作用下的墩底反力最大，为6.84E5N。而在Kobe 波作用下墩底反力单调减小。（3）在同一条地震波作用下，随着墩高的变化，墩底剪力也不是单调变化，它与相应的墩底反力变化规律接近，但也略有不同。
5 结论
（1）在各种地震波作用下，随着墩高的变化，墩底反力、最大剪应力反应并不是单调变化，且不同地震波作用下变化趋势也不相同。（2）在各种地震作用下，随着墩高的变化，墩顶位移虽然不是单调变化，但总体上随着墩高的增大，墩顶位移逐渐增大。可见，随着墩高的增大，结构刚度减小，变形增大。（3）桥墩结构地震内力反应的大小不仅与自身高度、振动周期有关，还与地震波的频谱特性以及地震动输入方向有关。
参考文献
[1]范立础，胡世德，叶爱君.大跨度桥梁抗震设计［M］．北京：人民交通出版社 2001：42-48．
[2]叶爱君，范立础.大型桥梁工程的抗震设防标准探讨［J］．地震工程与工程振动，2006,26（2）：8-12.