大跨度斜拉橋地震響應(yīng)反應(yīng)譜分析

劉　兵

(中鐵二局二公司， 四川成都 610032)

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大跨度斜拉橋地震響應(yīng)反應(yīng)譜分析

劉兵

(中鐵二局二公司， 四川成都 610032)

為了研究大跨度斜拉橋地震響應(yīng)規(guī)律，以某跨徑組合為60+90+150+680+150+90+60 (m)的斜拉橋?yàn)槔?，建立了斜橋的三維有限元模型，考慮橋梁所處不同的地質(zhì)環(huán)境，分析了該大跨度斜拉橋的動(dòng)力特性，通過計(jì)算得出了該橋的關(guān)鍵點(diǎn)的位移響應(yīng)及主塔關(guān)鍵截面的內(nèi)力地震反應(yīng)響應(yīng)值。研究結(jié)果表明：橋梁關(guān)鍵點(diǎn)的位移和主塔關(guān)鍵截面的內(nèi)力響應(yīng)在100年超越概率水平為2%(E1)最大，當(dāng)?shù)卣鹆v向與豎向的組合輸入時(shí)，與100年超越概率水平為10%(E3)相比，50年超越概率水平2%(E2)主跨跨中的縱向位移增大了1.51倍，左塔與下橫梁連接處的縱向彎矩、縱向剪力和豎向剪力分別增大了47 %、43 %和44 %；當(dāng)?shù)卣鹆M向與豎向的組合輸入時(shí)，E1概率水平下主梁跨中的橫向位移為0.64 m，右塔與下橫梁連接處的豎向彎矩、縱向剪力和橫向剪力分別為1 356 MN·m、87 MN和35.4 MN，綜合考慮地質(zhì)條件與不同地震力組合輸入對(duì)該橋的影響是必要的。

大跨度斜拉橋；反應(yīng)譜；地震響應(yīng)

本世紀(jì)，地震頻發(fā)，震級(jí)高，對(duì)人類的生產(chǎn)和生活造成了極為嚴(yán)重的影響，橋梁作為一項(xiàng)生命線公共基礎(chǔ)設(shè)施工程，地震時(shí)，重要結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生損壞，短時(shí)間內(nèi)修復(fù)難度大，橋上交通陷于癱瘓，嚴(yán)重影響了災(zāi)后的救援工作，人民的生命財(cái)產(chǎn)受到重創(chuàng)。為將地震損失降到最低、減少地震的次生災(zāi)害，根本性在于提高橋梁結(jié)構(gòu)安全可靠性，而可靠性源于合理的抗震設(shè)計(jì)方法。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)抗震的研究方法主要有確定性分析方法的反應(yīng)譜法和時(shí)程反應(yīng)法。

本文借用ANSYS大型通用有限元軟件首先建立了大跨度斜拉橋的三維有限元模型，采用反應(yīng)譜分析理論，對(duì)大跨度斜拉橋進(jìn)行了地震反應(yīng)譜分析，得到了該橋型關(guān)鍵點(diǎn)的位移與主塔關(guān)鍵截面的內(nèi)力響應(yīng)規(guī)律，為此種橋型的抗震設(shè)計(jì)提供參考價(jià)值。

1　工程算例分析

1.1工程概況

該斜拉橋主跨為680 m，等高的雙塔結(jié)構(gòu)，全橋長(zhǎng)度為1 280 m，采用封閉式流線型扁平整幅鋼箱梁，有抗風(fēng)性能好、整體性強(qiáng)的特點(diǎn)。主梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)15 m，邊跨梁段長(zhǎng)9 m，橋面寬28.7 m，梁高3.5 m，設(shè)2.0 %雙向坡，采用半漂浮體系。索塔采用花瓶形式的結(jié)構(gòu)，塔高223.0 m，塔之間由三道橫梁組成，均為單箱單室截面，下橫梁梁高7.0 m、寬10.0 m，中橫梁梁高5.0 m、寬8.0 m，上橫梁梁高3.0 m、寬6 m。每個(gè)索面由21對(duì)索組成，全橋總計(jì)斜拉索168根，呈扇形布置，采用Φ15.2 mm平行鋼絞線體系。

本文借用ANSYS大型通用有限元軟件建立了斜拉橋三維有限元模型(圖1)。雙塔采用beam44單元進(jìn)行模擬，橋面系采用脊梁式進(jìn)行模擬鋼箱梁截面，主梁、橫梁采用beam4單元進(jìn)行模擬，斜拉索采用link8單元進(jìn)行模擬，用節(jié)點(diǎn)耦合進(jìn)行模擬主梁節(jié)點(diǎn)與橋塔橫梁處的支座，縱向?yàn)閄軸，豎向?yàn)閅軸，橫橋向?yàn)閆軸。

圖1　三維有限元模型

1.2動(dòng)力特性

為達(dá)到結(jié)構(gòu)響應(yīng)的精度要求，考慮模型前100階的自振頻率參與計(jì)算，暫列出該橋的前5階自振頻率及相應(yīng)的振型特性(表1)。

表1　動(dòng)力特性

2　反應(yīng)譜的選擇

考慮該橋梁所處不同地址，采用三種不同水平的抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究評(píng)價(jià)，此橋采用100年超越概率水平2 %(E1概率)、50年超越概率水平2 %(E2概率)和100年超越概率水平10 %(E3概率)三個(gè)概率水準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，反應(yīng)譜曲線如圖2所示。選取順橋方向和橫橋方向的地震波相同，而選取豎向地震波幅值調(diào)整系數(shù)為0.60，該橋的阻尼比取0.05。分別計(jì)算了E1概率、E2概率和E3概率地震動(dòng)在三種不同概率不同工況組合下作用下的大跨度斜拉橋地震響應(yīng)。

圖2　計(jì)算反應(yīng)譜

3　計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算中取前100階振型進(jìn)行疊加，豎向反應(yīng)譜值取水平方向的0.60倍。對(duì)于三種概率水平均考慮兩種激勵(lì)模式，工況1：縱向+豎向，工況2：橫向+豎向，分別計(jì)算各種工況對(duì)大跨度斜拉橋關(guān)鍵點(diǎn)的位移及主塔關(guān)鍵截面的內(nèi)力影響。

表2～表4分別為E1、E2及E3概率水平下關(guān)鍵點(diǎn)的位移響應(yīng)。主橋關(guān)鍵點(diǎn)位移在E1概率水平下最大，E2概率水平下次之，E3概率水平下最小?？紤]縱向與豎向激勵(lì)時(shí)，主橋的縱向位移響應(yīng)顯著，而橫向位移與豎向位移幾乎沒有響應(yīng)；考慮橫向與豎向激勵(lì)時(shí)，主橋的橫向位移響應(yīng)顯著，而縱向位移與豎向位移響應(yīng)相對(duì)較小。由于橋塔的橫向剛度較大，塔頂?shù)奈灰戚^主梁位移響應(yīng)小。

表5～表7分別為E1、E2及E3概率水平下主塔關(guān)鍵截面的內(nèi)力響應(yīng)。主塔關(guān)鍵截面的內(nèi)力在E1概率水平下最大，E2概率水平下次之，E3概率水平下最小。由于剛度的變化，塔與下橫梁連接處的響應(yīng)最大，與中橫梁連接處的響應(yīng)次之，與上橫梁連接處響應(yīng)更小，塔頂?shù)捻憫?yīng)最小。考慮縱向與豎向激勵(lì)時(shí)，主塔彎矩主要表現(xiàn)為縱向彎矩，剪力主要表現(xiàn)為豎向剪力和縱向剪力；考慮橫向與豎向激勵(lì)時(shí)，主塔彎矩主要表現(xiàn)為豎向彎矩，剪力主要表現(xiàn)為橫向剪力和縱向剪力，左塔與右塔的內(nèi)力響應(yīng)值相當(dāng)，偏差在3 %左右。

表2　E1概率水平下關(guān)鍵點(diǎn)位移　m

表3　E2概率水平下關(guān)鍵點(diǎn)位移　m

表4　E3概率水平下關(guān)鍵點(diǎn)位移　m

表5　E1概率水平下主塔的內(nèi)力

4　結(jié)論

(1)不同的反應(yīng)譜曲線對(duì)大跨度斜拉橋的位移和內(nèi)力均有不同的影響，在E1概率水平下最大，E2概率水平下次之，E3概率水平下最小，因此，抗震設(shè)計(jì)中根據(jù)橋址處的地質(zhì)情況合理選用與之相符的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線極為重要。

表6　E2概率水平下主塔的內(nèi)力

表7　E3概率水平下主塔的內(nèi)力

(2)由于主塔與下橫梁、中橫梁、上橫梁的連接處，剛度變化比較大，受力比較復(fù)雜，內(nèi)力在此都發(fā)生突變，所以塔與橫梁連接處響應(yīng)較大，這些部位是橋梁抗震方面的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)重視。

(3)工況1作用下，與E3概率水平下相比，E2和E1概率水平下主梁跨中的縱向位移分別增大了51 %和93 %，左塔塔頂?shù)目v向位移分別增大49 %和91 %；工況2作用下，E2和E1概率水平下較E3概率水平下主梁跨中的橫向位移分別增大了50 %和88 %，右塔塔頂?shù)臋M向位移分別增大45 %和85 %。

(4)工況1作用下，與E3概率水平下相比，E2和E1概率水平下左塔與下橫梁連接處的縱向彎矩分別增大了1.47倍和1.88倍，左塔與下橫梁連接處的豎向剪力分別增大1.44倍和1.85倍；工況2作用下，E2和E1概率水平下較E3概率水平下右塔與下橫梁連接處的豎向彎矩、縱向剪力均分別增大了1.46倍和1.84倍。

[1]林家浩，張亞輝，趙巖.大跨度結(jié)構(gòu)抗震分析方法及近期進(jìn)展[J].力學(xué)進(jìn)展，2001，31(3)：350-360.

[2]劉洪兵，朱唏.地震地層運(yùn)動(dòng)空間變化對(duì)大跨度斜拉橋的影響[J]．北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，24(1)：23-27.

[3]鐘萬(wàn)勰，林家浩.大跨度橋梁分析方法的一些進(jìn)展[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000,40(2):127-135.

[4]胡聿賢.地震工程學(xué)[M].北京：地震出版社，1988.

[5]尹國(guó). 大跨度斜拉橋的地震動(dòng)響應(yīng)分析研究[D]. 合肥工業(yè)大學(xué)， 2005.

[6]申愛國(guó),李喬,朱敏. 蕪湖長(zhǎng)江大橋斜拉橋地震反應(yīng)分析 [J]. 世界地震工程， 2000(3).

[7]劉雯. 大跨度斜拉橋的抗震分析[D]. 合肥工業(yè)大學(xué)， 2009.

劉兵(1979～)，男，大學(xué)本科，工程師，研究方向?yàn)闃蛄菏┕そM織。

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[定稿日期]2016-02-26