斜拉桥地震响应分析

斜拉桥地震响应分析

斜拉桥通常是连接经济的纽带工程，具有很高的投资对国民经济产生了重大影响。如果地震发生在地震中，将造成巨大的经济损失，严重影响灾区的救灾、恢复和重建。斜拉桥的抗疲劳模型引起了越来越多的关注和研究。然而，传统的研究主要集中在“计算设计”上。由于地震源的不确定性和复杂性，以及结构计算模型和实际情况之间的差异，“计算设计”难以有效控制结构的抗疲劳动性能。因此，它不能完全依赖“计算”。20世纪70年代，相关研究人员提出了“概念设计”的概念。抗感染工程的预算方法是概念上的，尤其是结构的一般方法。该方法已从局部设计转变为全球设计，在有效、经济、合理的抗感染结构中得到确认。斜拉桥由桥塔、桥面系、斜拉索、边墩(锚固墩、辅助墩)和支撑连接装置组成(支座等).斜拉桥的大部分质量集中在桥面系,因而,地震惯性力也主要集中在桥面系.桥面系的地震惯性力通过斜拉索和支座传递给桥塔、边墩,再由桥塔、边墩传递给基础,进而传递给地基承受.斜拉索的布置形式不同,则桥面系的地震惯性力的传递路径也不同,地震反应也将随之变化.辐射形、竖琴形、扇形是最常用的斜拉桥拉索布置形式.本文作者从斜拉桥抗震概念设计角度出发,针对这三种索形的斜拉桥进行对比与分析,力求从结构体系本身出发,改善结构的抗震性能,免除设置高阻尼弹性限位装置的麻烦.不同索形的斜拉桥方案,仅仅是抗震概念设计的一个例子,旨在抛砖引玉.1不同斜坝桥建模1.1斜拉索布置形状斜拉桥为三跨弹性约束体系(85m+220m+85m),双塔双索面箱梁斜拉桥.上部结构为双箱单室混凝土梁,索塔为门型塔,塔柱设置两道横梁,塔柱均为空心薄壁结构.桥面系以上塔柱为变截面单箱单室,下塔柱为等截面箱型断面,两道横梁亦为箱形截面.全桥共52对斜拉索,为了对比其顺桥向布置形状对斜拉桥抗震性能的影响,分别采用了辐射形、扇形和竖琴形索面形式.斜拉索在主梁上的布置,靠近桥塔位置每8m布置一根,远离桥塔部分每4m布置一根;桥塔上的布置,辐射形斜拉桥模型,索都设置在塔顶横梁处,扇形、竖琴形则自塔顶向下分别每2m、3m布置一根斜拉索,见表1.斜拉桥整体布局与各个构件的具体参数如下:1)结构尺寸.主梁、索塔均采用C50混凝土,斜拉索采用消除压力钢丝wire1670,材料特性见表2.3)截面特性见表3.1.2节点连接和边界条件我们建立了全桥空间有限元模型,见图1.建模时采用了目前斜拉桥计算中常用的鱼骨模式,把桥面系的刚度(竖向、横向的挠曲刚度,扭转刚度)和质量(平动质量和转动质量)都集中在主梁中间节点上,节点和斜拉索采用刚臂连接.主塔、主梁均采用梁单元,斜拉索采用桁架单元.边界条件处理为索塔、过渡墩底部均完全约束,索单元与梁单元之间给予完全铰约束;辅助墩、桥塔横梁处与桥面系在顺桥向不加约束,即全漂浮体系,其他两方向均采用弹性连接,模拟橡胶支座.2斜拉桥抗疲劳防滑性能分析2.1种不同索形的斜拉桥纵飘频率三种不同索形的斜拉桥模型,其前10阶模态及振型特征如表4所示.由表4可以看出,三种不同索形斜拉桥的动力特性既有斜拉桥共有的特点,又存在差别.从表4中还可以看出,大跨度斜拉桥的柔度比较大,自振周期长,固有频率低,具有密布的频谱,模态远较一般的结构密集.此三个模型,均采用全漂浮体系,结果显示第1阶振型均为纵飘,符合漂浮体系斜拉桥的特征.但三种不同索形的斜拉桥第1阶纵飘频率差别明显.竖琴形、扇形和辐射形斜拉桥纵飘频率依次减小.其中竖琴形的0.3011几乎是辐射形0.1563的两倍.这是由于索与梁之间的平均倾角不同,使得桥面系在顺桥向的刚度不同,平均倾角最大的辐射形,刚度最小,从而纵飘的频率也最小,自振周期最大.倾角最大的竖琴形动力特性则恰恰相反,其刚度的提高,可能减小桥面系在地震作用下的顺桥向位移,从而对抗震有利.然而,位移的减小可能意味着受力的增加(如墩底弯矩、剪力),尤其是靠近塔附近较短斜拉索的轴力可能会迅速增加.除基频振型的频率相差较大外,其他振型周期相差不明显.因此,斜拉索顺桥向布置形式只对斜拉桥的纵飘振型影响较大.2.2顺桥地震地震波特性分析由于琴形、扇形和辐射形三种不同索形只对斜拉桥的纵向漂移振型影响显著,因此本文只分析顺桥向地震时程响应.地震波选取了3条典型波,分别为El-Centro波,Taft波和SanFernando波.计算时把峰值按比例调整至0.2g后,保持原有的频谱特性不变.1主梁与拉索之间的垂直剖面模型各条地震波作用下,主梁跨中和塔顶顺桥向位移响应曲线见图2和图3,其响应的最大、最小值见表5.由位移分析结果可以看出,在El-Centro、SanFernando地震波作用下,跨中、塔顶顺桥向位移响应均沿着辐射形、扇形、竖琴形依次减小.即在此两种地震波作用下,随着主梁与拉索平均倾角的减小、纵飘基频频率的增大,跨中、塔顶顺桥向位移响应依次减小.然而对于Taft波,却非如此:扇形斜拉桥的顺桥向位移响应最大,竖琴形最小.由此可以得出以下结论:索形的不同,对于斜拉桥的顺桥向位移响应影响明显;在不同频谱特性的地震波作用下,不同索形的位移响应规律不同.因此,应该根据桥址的场地特性,合理选择索形.2种索形的内力响应各条地震波作用下,主梁跨中和塔顶顺桥向内力响应曲线见图4和图5,其响应的最值见表6.由分析结果可以看出,同一地震波作用下,三种索形的斜拉桥内力响应差别显著,然而内力最大值由于地震波的不同,变化规律不相同.在Taft地震波下,扇形的内力响应最大值明显大于其他两种索形的响应;而在El-Centro地震波下结果却恰恰相反.由此可以得出,在不同频谱特性的地震波作用下,三种索形的斜拉桥内力响应有较大的差别,因此应该针对桥址场地特性合理选择索形.3辐射形斜拉桥设计的地震反应动力特性不同索形的斜拉桥,斜拉索轴力响应的最大值所在的位置不同,我们按图6给不同位置的斜拉索编号.各条地震波下的索力最大值和所对应的索号见表7,根据表中计算结果可以得出以下结论:①索形不同,地震作用下的最大拉索轴力值大小明显不同.竖琴形最大,扇形次之,辐射形最小.②索形不同,地震作用下的最大拉索轴力的位置不同.从表中可以看出,扇形、竖琴形产生最大值的索都在塔附近.这是因为此位置的拉索长度较短,当主梁在桥面系施加单位位移时,这些索产生的应变较大,因此拉力也较大.而对于辐射形产生最大轴力的位置常常在远离桥塔的位置,如表中所示,在El-Centro、SanFernando地震波作用下,产生最大轴力的位置均为离塔最远的26、1号索.Taft地震波作用下,辐射形斜拉桥的各条索的索力最大值较均匀.③在地震作用下,辐射形拉索最大轴力增加幅度有限,不到恒载作用下的10%,设计时可以不考虑地震对索力的影响.然而对于扇形、竖琴形斜拉桥,其靠近塔的较短拉索(本模型中编号为13,14的拉索),在地震作用下,其最大值可能达到恒载索力的50%,所以设计时,必须引起足够的重视.3结构索形设计斜拉索的顺桥向布置形式对结构的纵飘周期影响显著.一般而言,随着主梁与斜拉索平均倾角的减小,纵向刚度逐渐增大,纵飘频率增大.大跨度斜拉桥的顺桥向反应主要决定于纵飘振型,该振型的周期对主梁跨中和塔顶的位移起决定性作用.而斜拉索的顺桥向布置形式又对纵飘的周期影响显著.所以在控制桥梁顺桥向位移时,要选择合理的索形.同一地震波作用下,三种不同索形的斜拉桥位移、内力响应差别明显.这说明索形对结构的响应影响很大.对于扇形、竖琴形斜拉桥,在