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    獨塔斜拉橋地震響應(yīng)分析

    2022-08-18 08:32:26白海峰李鑫
    低溫建筑技術(shù) 2022年7期
    關(guān)鍵詞:斜拉橋拉索內(nèi)力

    白海峰, 李鑫

    (大連交通大學(xué)土木工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)

    0 引言

    近年來,我國在橋梁方面的建設(shè)迅猛發(fā)展,斜拉橋所占比重越來越大,斜拉橋的抗震性能引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究[1]。萬淑敏[2]以武漢二七長江大橋為工程背景,利用有限元軟件ANSYS建立斜拉橋的空間模型,采用反應(yīng)譜法與時程分析法對有無樁土結(jié)構(gòu)模型進行地震分析研究對比。雷利本等[3]利用Midas civil軟件創(chuàng)建大跨度獨塔斜拉橋有限元空間模型,在水平向(縱向、橫向)地震波作用下,利用非線性時程分析法分析斜拉索的地震響應(yīng),尋找最不利梁錨固和最不利受力索的位置。王建立[4]以重慶豐都長江大橋為工程背景,研究樁土結(jié)構(gòu)相互作用對斜拉橋地震響應(yīng)的影響。

    目前斜拉橋抗震分析方法主要是反應(yīng)譜分析方法、時程分析方法和功率譜法等[5]。文中采用時程分析法對斜拉橋進行地震響應(yīng)分析,從中得出一些有價值的結(jié)論。

    1 工程概況

    該斜拉橋為塔梁固結(jié)、塔墩分離體系(155+120)m,單索面獨塔鋼箱梁斜拉橋。大橋設(shè)計安全等級為一級,橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計基準期為100年,設(shè)計行車速度為40km/h,道路等級為雙向六車道,橋面寬度為31m,橋面橫坡為雙向1.5%橫坡,最大縱坡為3.71%。主梁采用正交異性橋面板鋼箱梁,中心梁高2.5m,箱梁頂板寬度31m,底板寬度22.03m,橫向為平坡。

    主梁采用實體式橫隔板,標準間距3m,斜拉索處橫隔板厚14mm,非拉索錨固處橫隔板厚12mm;箱梁共設(shè)4道腹板,其中邊腹板厚度16mm,中腹板厚度26mm,均設(shè)置三道縱肋。橋索塔為獨塔鋼箱結(jié)構(gòu),橋面以上5.4m范圍內(nèi),主塔為等截面,截面尺寸為3.0m×6.5m;橋面以上9.0m到塔頂,主塔為等截面,截面尺寸為3.5m×6.5m;5.4~9.0m主塔截面線性變化。主塔每側(cè)設(shè)11對斜拉索,主跨斜拉索梁上縱向間距為12m;邊跨斜拉索的梁上間距為12、6m。斜拉索的梁上橫向間距為1.7m。斜拉索的塔上錨固點豎向間距為3.6m和2.5m,塔上錨固點橫向間距為1.7m。

    2 有限元模型建立

    文中采用有限元軟件Midas civil2019建立斜拉橋空間有限元分析模型。建模未考慮樁土效應(yīng),主梁、橋塔、墩臺以及樁基礎(chǔ)采用空間梁單元模擬,斜拉索采用桁架單元模擬,斜拉索引起的垂度效應(yīng)采用Ernst等效彈性模量法[6]予以修正,二期恒載及配重混凝土轉(zhuǎn)化為質(zhì)量形式。斜拉橋有限元模型共劃分248個梁單元,受拉桁架單元共劃分44個,節(jié)點361個。各單元的幾何截面特性依據(jù)實際構(gòu)件截面尺寸而定。

    3 動力特性分析

    結(jié)構(gòu)動力特性是結(jié)構(gòu)本身固有的特性,包括頻率、阻尼、振型。它們只與剛度、質(zhì)量和材料相關(guān)[7]。結(jié)構(gòu)動力分析不僅研究荷載和響應(yīng)與時間的變化規(guī)律,而且還要分析結(jié)構(gòu)自身的慣性力和阻尼力[8]。文中采用Midas civil程序中的多重Ritz向量法對斜拉橋進行模態(tài)分析,求解后得到該結(jié)構(gòu)的振型形狀和自振頻率。共計算了前200階自振模態(tài),選用前5階模態(tài)頻率以及振型特征如表1所示。

    表1 斜拉橋自振頻率及振型特性

    由表1可知該斜拉橋的動力特性:

    (1) 斜拉橋的振型頻率是逐漸降低的,第一階頻率低于第二節(jié)頻率。

    (2) 單索面斜拉橋的抗扭能力不高,斜拉索對抗扭不起作用,其第五階就出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)。

    (3) 該斜拉橋為塔梁固結(jié)、塔墩分離體系,動力特性分析表明第一振型為主梁豎彎,自振頻率為0.5727Hz,說明主梁的剛度與其他構(gòu)件相比較弱。

    4 地震反應(yīng)分析

    文中所選斜拉橋按照A類橋梁設(shè)計,采用兩水準設(shè)防、兩階段設(shè)計的抗震設(shè)計思想,第一階段E1保證橋梁不壞,第二階段E2保證橋梁可修。文中采用與橋址同類場地的3條地震波進行分析,分別為EL Centro波、Taft波、Sanft波,每種地震波激勵方向采用二維輸入(Ex+0.67EZ、Ey+0.67Ez),計算時將重力工況作為初始工況,把所要輸入地震波的峰值和持時按比例調(diào)整,保證原有的頻譜特性不變。圖2~圖4為峰值調(diào)整后的加速度時程曲線。

    圖1 斜拉橋橋型布置圖(單位:cm)

    圖2 1940,El Centro Site,270Deg

    圖3 1971,San Fernando,159Deg

    圖4 1952,Taft Lincoln School,69Deg

    文中在進行斜拉橋幾何非線性時程分析時,采用Midas civi程序中的New Mark法,計算時采用瑞利阻尼模型,在進行時程響應(yīng)分析時,選取對結(jié)構(gòu)震動貢獻較大的縱向和橫向振動自振圓頻率,計算出瑞利阻尼常數(shù)α=0.6852,β=0.0013。

    4.1 縱向+0.65豎向荷載工況地震時程響應(yīng)分析

    在縱向+0.65豎向地震荷載激勵下,對斜拉橋上部結(jié)構(gòu)進行地震響應(yīng)分析,在E2地震作用下,斜拉橋各個控制點縱向位移響應(yīng)時程曲線如圖所示,主跨梁端、墩頂、塔頂位移響應(yīng)最大值與最小值見圖5~圖7。

    圖5 縱向波+0.65豎向波作用下主跨梁端縱向位移時程曲線

    圖6 縱向波+0.65豎向波作用下墩頂縱向位移時程曲線

    圖7 縱向波+0.65豎向波作用下塔頂縱向位移時程曲線

    由圖5~圖7時程曲線得出各個控制點縱向位移峰值如表2所示。

    表2 縱向位移響應(yīng)最大值、最小值

    塔梁固結(jié)體系在縱向和豎向地震荷載同時作用下,選取的斜拉橋內(nèi)力控制點是塔底、主梁跨中點以及橋梁墩底部位。圖8~圖10分別給出了主塔底部、主梁跨中點以及墩底處的內(nèi)力在二維地震波作用下時程曲線圖。

    圖8 縱向波+0.67豎向波作用下塔底縱向彎矩響應(yīng)

    圖9 縱向波+0.67豎向波作用下主梁跨中縱向彎矩響應(yīng)

    圖10 縱向波+0.67豎向波作用下墩底縱向彎矩響應(yīng)

    根據(jù)圖8~圖10時程曲線得到各個控制點內(nèi)力峰值見表3。

    表3 縱向地震結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力

    斜拉橋在縱向和豎向荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化復(fù)雜,分析結(jié)果表明:

    (1) 斜拉橋為平行雙索單索面鋼結(jié)構(gòu)獨塔斜拉橋,橋型為塔梁固結(jié),塔墩分離。斜拉橋的縱向和豎向的位移比較小,結(jié)構(gòu)在縱向地震波和豎向地震波作用下,相應(yīng)的橫向位移響應(yīng)也很小,可忽略不計。

    (2) 從上圖表我們可以看出塔底、主梁、墩底的彎矩在地震剛開始迅速增大,之后逐漸衰減。這使得控制點界面產(chǎn)生非常大的彎矩,縱向彎矩震蕩幅度相對比較大。

    4.2 橫向+0.65豎向荷載工況地震時程響應(yīng)分析

    在橫向+0.65豎向地震荷載激勵下,對斜拉橋上部結(jié)構(gòu)進行地震響應(yīng)分析,在E2地震作用下,斜拉橋各個控制點橫向位移響應(yīng)時程曲線如圖11~圖13所示,主跨梁端、墩頂、塔頂位移響應(yīng)最大值與最小值見圖11~圖13。

    圖11 橫向波+0.65豎向波作用下主跨梁端橫向位移時程曲線

    圖12 橫向波+0.65豎向波作用下墩頂橫向位移時程曲線

    圖13 橫向波+0.65豎向波作用下塔頂橫向位移時程曲線

    由圖11~圖13時程曲線得出各個控制點位移峰值見表4。

    表4 橫向位移響應(yīng)最大值、最小值

    在橫向和豎向雙向荷載作用下,主塔底部、主梁跨中以及墩底處的內(nèi)力在二維地震波作用下時程曲線見圖14~圖16。

    圖14 橫向波+0.67豎向波作用下塔底縱向彎矩響應(yīng)

    圖15 橫向波+0.67豎向波作用下主梁跨中縱向彎矩響應(yīng)

    圖16 橫向波+0.67豎向波作用下墩底縱向彎矩響應(yīng)

    根據(jù)圖14~圖16時程曲線得到各個控制點內(nèi)力峰值見表5。

    表5 橫向地震結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力

    根據(jù)表4、表5,分析結(jié)果表明:

    (1) 斜拉橋在橫向地震波和豎向地震波作用下引發(fā)的橫向位移響應(yīng)比較小??v向和豎向位移響應(yīng)很小,幾乎沒有。

    (2) 在橫向和豎向地震荷載作用下,可知主梁、橋塔、橋墩縱向內(nèi)力時程曲線變化呈現(xiàn)波形密集型。在地震剛開始時,橋梁各個關(guān)鍵點截面的彎矩迅速增大,而后逐漸減小。

    5 結(jié)語

    通過對斜拉橋二維縱向+豎向、二維橫向+豎向地震時程響應(yīng)分析可知:

    (1) 對于單索面鋼箱梁獨塔斜拉橋結(jié)構(gòu),進行二維地震波輸入的時候?qū)鸾Y(jié)構(gòu)的水平方向較大的位移反應(yīng)。

    (2) 橋塔梁固結(jié)、塔墩分離體系斜拉橋,在水平荷載和豎向荷載作用下,結(jié)構(gòu)的主要位移表現(xiàn)以地震波輸入水平向為主,且位移值比較小。橋塔塔頂比主跨梁端和橋墩墩頂水平向位移變化幅度大。

    (3) 結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力響應(yīng)出現(xiàn)在橋墩墩底,主梁和橋塔的內(nèi)力響應(yīng)比其小。橋墩墩底彎矩響應(yīng)達到73701.61kN·m,其值較大。這將引起安全隱患,因此在必要的時候可以采取安裝減隔震裝置,減小橋墩的彎矩。

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