雙索面彎塔寬幅斜拉橋抗震分析

申長(zhǎng)國(guó)

(中鐵大橋局集團(tuán) 第一工程有限公司,河南 鄭州 450053)

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雙索面彎塔寬幅斜拉橋抗震分析

申長(zhǎng)國(guó)

(中鐵大橋局集團(tuán) 第一工程有限公司,河南 鄭州 450053)

以鄭州望龍西雙索面彎塔寬幅斜拉橋?yàn)檠芯繉?duì)象，采用大型有限元軟件ANSYS建立橋梁的空間桿系有限元模型，進(jìn)行了橋梁的動(dòng)力特性分析，得到其固有頻率和振型特點(diǎn)等模態(tài)參數(shù)；采用時(shí)程分析和反應(yīng)譜法兩種不同的方法對(duì)寬箱梁斜拉橋的地震響應(yīng)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：兩種分析方法得到的地震響應(yīng)規(guī)律相同，橫橋向地震荷載作用對(duì)橋梁地震響應(yīng)影響較大。本文的結(jié)果可為同類型橋梁的抗震設(shè)計(jì)提供理論參考，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

斜拉橋；動(dòng)力特性；抗震分析

0 引言

隨著設(shè)計(jì)與建造技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了很多異型橋，這類橋造價(jià)高，設(shè)計(jì)難度大，如果在地震中受到破壞，損失將無(wú)法估量。因此其抗震性能研究也成為目前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[1-5]。這些研究主要針對(duì)大跨度斜拉橋，且多數(shù)研究其在縱橋向的地震響應(yīng)，文獻(xiàn)[6-7]探討了主塔塔形對(duì)獨(dú)塔斜拉橋主塔橫向地震反應(yīng)影響，指出H型橋塔的橫向地震響應(yīng)最優(yōu)。文獻(xiàn)[8]主要分析了地震輸入方向?qū)﹁F路部分斜拉橋地震響應(yīng)的影響，指出部分斜拉橋抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮豎向地震動(dòng)、水平地震波最不利輸入方向的影響。文獻(xiàn)[9]對(duì)寬幅矮塔斜拉橋進(jìn)行了抗震設(shè)計(jì)分析。但是對(duì)寬幅彎塔斜拉橋抗震性能的研究還是空白。因此，開(kāi)展雙索面彎塔寬幅斜拉橋的動(dòng)力性能分析，并以此為依據(jù)開(kāi)展地震響應(yīng)分析，可以為同類橋梁抗震設(shè)計(jì)提供有益的借鑒。

1 工程概況

圖1 望龍西橋總體布置圖

鄭州望龍西大橋主橋?yàn)?2+96 m雙索面彎塔預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，主梁采用雙主梁形式，中間用橫梁相連，主梁橫截面采用兩個(gè)分離的雙室箱型截面，兩個(gè)分離的箱形截面中心間距35 m，與雙索面斜拉索及橋塔兩個(gè)塔柱的中心間距一致，每個(gè)箱形截面的底寬9 m，頂寬12 m，兩個(gè)分離箱梁間凈距26 m，箱梁外側(cè)懸臂3 m，拉索中心處的梁高2.5 m。分離主梁采用橫梁連接, 橫梁分為中橫梁、梁端支點(diǎn)處的端橫梁及主塔處的塔間橫梁3種，橋面中線處橫梁高2.763 m，中橫梁腹板厚30 cm，端橫梁腹板厚161 cm，塔間橫梁由4根60 cm寬的橫梁用30 cm厚度的底板連接起來(lái)，構(gòu)成單箱3室斷面。主塔采用分離式雙柱彎塔，兩個(gè)塔柱中心間距35 m，承臺(tái)頂面到塔柱頂58.861 m，橋面以上塔高約53 m。斜拉索采用平行鋼絲束斜拉索，主跨長(zhǎng)度96 m，共有11根斜拉索；邊跨72 m共有7道斜拉索，每道有2根，橫向間距1.2 m。斜拉索在主梁上的間距為6 m，在塔上間距為3 m，斜拉索在塔上張拉，將主梁上錨固點(diǎn)作為固定端。圖1為該橋總體布置圖。

2 有限元模型

圖2 全橋有限元模型

采用大型有限元軟件ANSYS建立該橋的三維有限元模型，主塔、主梁、樁基與承臺(tái)均采用空間梁?jiǎn)卧猙eam188模擬，斜拉索采用空間桿單元link8模擬，橋面板采用空間質(zhì)量單元mass21模擬。采用等效彈性模量法來(lái)考慮斜拉索的垂度效應(yīng)，主塔與主梁之間按固結(jié)體系模擬，土體對(duì)樁基的作用采用土彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)，主梁兩端由于橋臺(tái)不高，所以用鉸支座約束。全橋有限元模型共有50個(gè)桿單元，1 398個(gè)質(zhì)量點(diǎn)單元，2 754個(gè)梁?jiǎn)卧?。全橋有限元模型如圖2所示。

3 振動(dòng)特性分析

根據(jù)前述有限元模型，在完成靜力分析的基礎(chǔ)上，采用蘭索斯法計(jì)算該橋的動(dòng)力特性，前10階周期、頻率和振型特征描述如表1所示。前4階模態(tài)如圖3～圖6所示。

圖3 第一階振型

圖4 第二階振型

圖5 第三階振型

圖6 第四階振型

從表1及圖3～圖6可以看出：本橋一階振型表現(xiàn)為主塔的對(duì)稱側(cè)彎，這主要是由于本橋采用雙柱式分離橋塔，塔高較高，且兩塔柱之間沒(méi)有橫向連接，故主塔側(cè)向剛度弱于主梁剛度，因此主塔振動(dòng)先于主梁振動(dòng)出現(xiàn)。同時(shí)可以看出：本橋主梁振動(dòng)的第一階周期為1.737 0 s，略小于一般斜拉橋的自振周期，這主要是由于本橋?qū)儆谒汗探Y(jié)體系且橫向?qū)挾群艽?，橋橫縱向聯(lián)系較強(qiáng)的雙面索斜拉索體系，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)具有較高的剛度。此外可以看到由于寬幅的影響，主梁在低級(jí)振型時(shí)就出現(xiàn)了振型密集情況，如第四階和第五階，周期僅為0.788 0 s和0.759 3 s，周期非常接近。

4 地震響應(yīng)分析

地震響應(yīng)分析分別采用了動(dòng)態(tài)時(shí)程分析和反應(yīng)譜分析兩種方法，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析， 根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》CJJ166—2011的條文：一般情況下，城市橋梁可只考慮水平向地震作用，直線橋可分別考慮順橋向X和橫橋向Y的地震作用[9]。故在本文中進(jìn)行分析主要考慮了橋縱向和橋橫向分別施加地震荷載時(shí)的地震響應(yīng)。

圖7 水平地震設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜曲線

4.1 反應(yīng)譜分析

該橋所處鄭州市的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震為第一組。對(duì)該橋進(jìn)行地震安全性評(píng)價(jià)確定場(chǎng)地地表以下20 m范圍內(nèi)等效剪切波速為213～217 m/s，場(chǎng)地覆蓋層厚度為72 m，屬于中軟場(chǎng)地土，建筑場(chǎng)地為第Ⅲ類，特征周期0.45 s，地基土具輕微液化性，無(wú)地震震陷影響。依據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》CJJ166—2011相關(guān)條文確定水平地震加速度反應(yīng)譜曲線如圖7所示。部分截面內(nèi)力對(duì)比如表2所示，橫橋向地震加速度作用下索力變化情況如表3所示。

表2 橫縱向施加地震加速度各關(guān)鍵單元處的最大內(nèi)力對(duì)比情況

通過(guò)表2可以看出，改變地震波施加方向后，關(guān)鍵部位的內(nèi)力變化明顯，例如豎向彎矩與橫向剪力變化最為明顯。橫橋向施加地震加速度后的結(jié)構(gòu)響應(yīng)明顯要比順橋向施加的結(jié)果大?？梢?jiàn)地震波作用方向?qū)挿鶑澦崩瓨虻卣痦憫?yīng)影響較大。

表3 橫向施加地震加速度后斜拉索索力變化情況

從表3可以看出：在橫向地震作用下，主跨斜拉索索力基本呈增加趨勢(shì)，隨著索長(zhǎng)增大，索力增幅趨于減小，而最長(zhǎng)索索力則發(fā)生索力衰減；而邊跨斜拉索，多達(dá)3根斜拉索索力出現(xiàn)衰減現(xiàn)象，且隨著索長(zhǎng)的增大，衰減幅度大幅增加，這種情況應(yīng)該予以重視。

4.2 地震動(dòng)時(shí)程分析

圖8 地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線

考慮到本工程橋址處并沒(méi)有實(shí)際地震記錄，本次分析所使用地震時(shí)程記錄由上述反應(yīng)譜擬合而成，時(shí)長(zhǎng)10 s，地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線如圖8所示。分別在順橋方向與橫橋方向施加該地震加速度，關(guān)鍵截面內(nèi)力響應(yīng)最大值如表4所示。

4.3 動(dòng)態(tài)時(shí)程分析與反應(yīng)譜分析結(jié)果對(duì)比

對(duì)比橋梁關(guān)鍵截面的計(jì)算結(jié)果，可以看出：

(1)動(dòng)態(tài)時(shí)程分析與反應(yīng)譜分析兩種結(jié)果顯示，橫向地震作用下，該寬幅彎塔斜拉橋的地震響應(yīng)較大，對(duì)該類橋梁進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮橫橋向地震作用。

(2)反應(yīng)譜分析的內(nèi)力峰值與時(shí)程反應(yīng)分析的內(nèi)力峰值相比較小，這主要是因?yàn)榉磻?yīng)譜對(duì)高階段的譜值平臺(tái)化的結(jié)果。對(duì)于大型的斜拉橋來(lái)說(shuō)，高階振型的影響不能忽略，但反應(yīng)譜分析一般只取一些低階的振型進(jìn)行疊加，其本身方法就有誤差，同時(shí)由于平臺(tái)段對(duì)高階影響的削弱，這些因素都可能導(dǎo)致反應(yīng)譜分析結(jié)果的偏小。

表4 橫縱向施加地震加速度各關(guān)鍵單元處的最大內(nèi)力對(duì)比情況

5 結(jié)論

(1)寬幅彎塔斜拉橋第一振型表現(xiàn)為主塔側(cè)彎，且由于寬幅的影響，在低階振型就出現(xiàn)振型密集現(xiàn)象。

(2)橫橋向地震荷載作用下的地震響應(yīng)遠(yuǎn)大于順橋向地震荷載作用下的地震響應(yīng)，是此類寬幅彎塔斜拉橋在抗震設(shè)計(jì)中需注意的地震響應(yīng)。

(3)動(dòng)態(tài)時(shí)程分析結(jié)果與反應(yīng)譜分析結(jié)果規(guī)律相近，說(shuō)明計(jì)算結(jié)果能夠在一定程度上反映實(shí)際地震荷載作用下橋梁的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

(4)橫橋向地震荷載作用下，寬幅彎塔斜拉橋斜拉索索力的變化情況復(fù)雜，且部分長(zhǎng)索有索力衰減現(xiàn)象，這種情況應(yīng)該予以重視。

(5)反應(yīng)譜分析的內(nèi)力峰值與時(shí)程反應(yīng)分析的內(nèi)力峰值相比較小，因此對(duì)于此類寬幅彎塔斜拉橋進(jìn)行抗震分析時(shí)，應(yīng)兼顧兩種分析方法，結(jié)合二者的分析結(jié)果作為抗震設(shè)計(jì)依據(jù)。

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Seismic Analysis of Double Cable Plane Curved Pylon Wide Box Girder Cable-stayed Bridge

Shen Changguo

(The 1stEngineering Co., LTD., MBEC, Zhengzhou 450053, China)

Wang Long Xi double cable planes curved pylon cable-stayed bridge in Zhengzhou is taken as an example in this paper. The finite element model of the whole bridge based on beam element is established by using the finite element software ANSYS. The dynamic characteristics, seismic performance and other aspects of the long-span cable-stayed bridge are studied.The vibration frequencies and mode of the bridge are calculated. The time history analysis method and the response spectrum method are used to analyze the seismic performance of the bridge respectively. The results show that similar consequence can be acquired by the time history analysis method and the response spectrum method and the seismic response of the bridge is stronger under the transverse earthquake action than the longitudinal earthquake action, which can be used as a reference for seismic design of such kinds of bridges.

cable-stayed bridge； dynamic characteristics； seismic analysis

2015-08-19 責(zé)任編輯:劉憲福

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.02.04

申長(zhǎng)國(guó)(1973-),男,高級(jí)工程師，主要從事橋梁施工技術(shù)與管理工作。E-mail:qsw0409@163.com

U448.27

A

2095-0373(2016)02-0017-05

申長(zhǎng)國(guó).雙索面彎塔寬幅斜拉橋抗震分析[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2016,29(2):17-21.