三塔斜拉桥的非线性地震反应分析 (2)

抗 震 研 究 KA N GZHE NY A N J I U周小伍:三塔斜拉桥的非线性地震反应分析 � 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 与建设� 2010年第 24卷第 3期 341 收稿日期: 2010�03�26 作者简介:周小伍( 1984- ) ,男,安徽安庆人,合肥工业大学硕士生. 三塔斜拉桥的非线性地震反应分析 周小伍 (合肥工业大学 土木与水利工程学院, 安徽 合肥 230009) 摘 要:结合马鞍山长江右汊斜拉桥的工程 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 实例,采用桥梁有限元分析软件 Midas,考虑结构大位移特性建立动力计算模型, 来分析三塔斜拉桥的几何非线性地震反应。分析了三塔斜拉桥的动力特性及在 EL�Cent ro 波作用下的时程响应, 比较了结构设 置铅芯抗震橡胶支座的振动响应。 关键词:斜拉桥;非线性;地震反应;时程分析 中图分类号: U 448. 27 文献标识码: A 文章编号: 1673�5781( 2010) 03�0341�03 目前,桥梁结构抗震分析方法主要采用反应谱法 和动力时程法 [ 1]。反应谱法是结构抗震初步设计中 广泛使用的一种方法,这种方法概念简单、计算方便, 计算时间和费用都较低。但是反应谱法原则上只适 用于弹性结构体系, 在大跨径桥梁的非线性抗震分析 上存在着较大的误差。而非线性动力时程法能考虑 结构各种复杂的非线性因素, 是公认的较为精细的分 析方法。斜拉桥地震反应分析也有采用反应谱法及 时程分析法联合计算,相互校核 [ 2]。目前在桥梁抗震 研究领域,文献[ 3]所做的工作最具代表性,编制了桥 梁空间非线性地震反应分析程序 NSRA P 和 IP� SABS,对数十座大跨度斜拉桥进行了地震反应分析。 预应力混凝土斜拉桥的非线性主要表现在以下 三个方面:斜拉索自重引起的垂度使其轴力与变形关 系呈非线性;轴力、弯矩共同作用使桥面主梁和塔产 生梁- 柱效应; 大位移引起的几何形状变化产生的非 线性效应[ 4] 。 本文结合工程实例马鞍山长江右汊公路斜拉桥, 采用非线性动力时程分析方法对该桥进行了非线性 地震反应分析。建立了全桥空间三维有限元模型,以 地震加速度时程作为地震波输入, 应用桥梁有限元程 序 Midas对结构进行了空间地震时程分析。反应分 析中考虑了结构几何非线性的影响。 1 斜拉桥动力计算模型 马鞍山长江右汊公路斜拉桥主桥跨径布置为 38 m+ 82 m+ 2 ! 260 m+ 82 m+ 38 m,全长 760 m, 为三塔六跨的双索面半漂浮体系斜拉桥,斜拉索采用 高强平行钢丝,主梁采用预应力混凝土双边箱梁, 主 塔采用边、中塔不等高的椭圆拱形混凝土桥塔, 主梁 采用预应力混凝土双边箱梁, 主梁中心处梁高 3. 2 m,锚索区边缘梁高 1. 0 m, 主梁顶面设置双向 2%的桥面横坡, 主梁顶面宽 35. 3 m, 底面宽35. 5 m。 斜拉索采用双索面扇形布置,拉索在梁上 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 间距为 7. 0 m,塔上标准间距为 2. 0 m。 结合 Midas 有限元分析实际, 本文采用整体式 有限元分析模型,建立斜拉桥的空间动力有限元模型 (图 1)。 图 1 马鞍山长江右汊公路斜拉桥有限元计算模型 2 结构动力特性分析 在斜拉桥有限元计算模型的基础上,采用了空间 迭代法计算了桥梁的结构动力特性,表1 列出了桥梁 结构在考虑塔底固结时的前 20阶自振频率及相关振 型特征。 通过计算,可以得到马鞍山长江右汊斜拉桥动力 特性以下特点:与全漂浮体系斜拉桥相比, 该桥基本 周期明显较短。如杨浦大桥为 9. 24 s,南京长江二桥 为 13. 32 s, 日本多多罗大桥为 7. 22 s, 而该桥仅为 2. 866 s,反映出该体系的斜拉桥刚度较大的特点; 该 桥的抗扭刚度较大, 这与该桥采用空间索面布置有 抗 震 研 究 KA N GZHEN Y A NJ I U 周小伍:三塔斜拉桥的非线性地震反应分析 342 �工程与建设� 2010年第 24卷第 3期 关[ 6]。斜拉桥的频谱分布比较密集。斜拉索具有膜 的性质,使得大跨度斜拉桥模态远较一般结构密集, 在一个并不宽的频段范围内分布很多的模态,可能出 现大量的模态被同时激起, 所以在进行动力分析时, 一般需采用 10 阶以上的振型, 本文采用前 20 阶 振型。 表 1 主桥前 20阶自振频率及振型特征 振型序号 频率/ Hz 振型特征 振型序号 频率/ H z 振型特征 1 0. 349 0 纵向飘移 11 1. 687 6 主梁对称扭转 2 0. 630 7 边塔纵向、主梁正对称竖弯 12 1. 692 7 主梁反对称扭转 3 0. 760 4 三塔纵向、主梁反对称竖弯 13 1. 734 6 主梁反对称竖弯 4 0. 841 5 边塔纵向、主梁正对称竖弯 14 1. 760 6 主梁反对称扭转 5 0. 892 1 三塔纵向、主梁反对称竖弯 15 1. 851 9 主梁正对称竖弯 6 0. 962 4 中塔侧弯 16 1. 881 8 主梁反对称扭转 7 0. 963 9 三塔纵向、主梁反对称竖弯 17 1. 950 4 主梁反对称扭转 8 1. 206 7 主梁正对称竖弯 18 2. 143 0 主梁对称侧弯 9 1. 258 8 主梁反对称扭转、边塔反向侧弯 19 2. 165 9 三塔纵向、主梁反对称竖弯 10 1. 566 4 主梁对称扭转、边塔同向侧弯 20 2. 193 7 边塔纵向、主梁正对称竖弯 3 非线性地震反应 根据设计要求, 地震设计烈度为 7度,场地为 ∀ 类场地土。采用桥梁有限元分析软件 M idas对马鞍 山长江右汊斜拉桥进行非线性地震反应,地震分析采 用全桥一致激励, 采用 EL�Centr o 地震波,考虑了顺 桥向和竖向耦合的地震动输入。地震波以加速度时 程的形式给出。EL�Centro 波的记录时长 53. 72 s, 时间间隔 0. 02 s。本文通过对该斜拉桥在竖向及水 平向 EL�Centro 波的共同作用下的地震响应进行分 析,给出各桥塔和主梁跨中点在地震荷载作用下的时 程位移,如图 2~ 图 4所示。 图 2 各塔顶点的顺桥向地震位移时程 图 3 主梁两个边跨跨中的竖向地震位移时程 图 4 主梁两个中跨跨中的竖向地震位移时程 从图 2~ 图 4 可以得出, 在地震荷载作用下, 左 塔顶的顺桥向最大位移为 0. 15 m, 中塔顶的顺桥向 最大位移为 0. 12 m, 右塔顶的顺桥向最大位移为 0. 15 m。在整个地震反应过程中, 中跨跨中竖向振动 位移大于边跨跨中竖向振动位移,这是因为边跨跨中 离两边的辅助墩较近,辅助墩能显著减小边跨跨中的 竖向位移。而中跨跨中的属于柔性体系,引起的竖向 振动 位移 较大。中 跨跨 中 的最 大 竖向 位 移 为0. 12 m。 每个拱塔横梁与主梁之间考虑设置两个铅芯抗 震橡胶支座,共设置 6 个铅芯抗震橡胶支座, 来分析 斜拉桥的减震效果。铅芯橡胶支座是在普通橡胶支 座中竖直地灌入铅芯而形成,由于铅的屈服应力较低 (约为 7 MPa)并在塑性变形条件下具有较好疲劳特 性,被认为是一种较好的阻尼器 [ 7]。通过对铅芯橡胶 支座的动力试验表明:铅芯橡胶支座具有较好的滞回 特性, 其初始剪切刚度可以达到普通叠层橡胶支座 刚度 10倍以上, 而其剪切屈服后刚度接近于普通叠 层橡胶支座的刚度[ 8]。铅芯橡胶支座的屈服强度与 铅芯的面积有关,增大铅芯的面积可以提高其屈服强 (下转第 363页) 地 基 与 基 础 D I J I Y U J I C H U王新义,等:人工挖孔桩护壁的设计方法 �工程与建设� 2010年第 24卷第 3期 363 200 mm。 下面验算护壁的整体稳定性。经计算得护壁自 重 G= 174� 7 kN, 取稳定安全系数 K = 1� 25, f 1 = 1. 8 kPa, f 2= 8� 1 kPa, f 2 = 13� 4 kPa。带入( 11)式, 经计算满足稳定性要求。 该项工程按照上述设计进行施工, 未出现孔壁坍 塌等安全事故。 4 结束语 本文以弹性理论为依据, 分析了人工挖孔桩孔壁 的应力分布,判断是否需要护壁; 对于需要护壁的情 况,对护壁进行分析与计算,提出了护壁的设计方法, 从理论上保证了孔壁的安全性,同时也为桩基的浇灌 质量打下了良好的基础。 #参考文献∃ [ 1] 宰金珉,宰金璋. 高层建筑基础分析与设计 % % % 土与结构物共 同作用的理论与应用[ M ] .北京:中国建筑工业出版社, 1993. 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(上接第 342页) 度,从而提高耗能效果[ 7]。铅芯抗震橡胶支座的屈服 力取 523. 4 kN,初始刚度取 58 480 kN/ m, 屈服比取 K 1 / K 2 为 10[ 9]。经过对设置与不设置铅芯抗震橡胶 支座的位移和内力, 得到振动最大位移与内力结果, 如表 2所列。 表 2 斜拉桥主要结构的振动响应比较 输入方式 位移/ m左塔塔顶 中塔塔顶 右塔塔顶 弯矩/ ( kN& m ) 左塔塔底 中塔塔底 右塔塔底 轴力/ kN 左塔塔底 中塔塔底 右塔塔底 不设置铅芯抗震橡胶支座 0. 15 0. 12 0. 15 11 580 12 270 8 085 15 340 15 120 10 130 设置铅芯抗震橡胶支座 0. 07 0. 12 0. 07 6 321 7 145 6 803 9 906 13 580 9 461 两者比较/ ( % ) 114 0 114 83 72 19 55 11 7 从表 2 中可以看出: 不设置铅芯抗震橡胶支座 时,各桥塔所承受的地震荷载非常大, 各塔底弯矩和 轴力 的最 大值 分别 达到 12 270 kN & m 和 15 340 kN。设置铅芯抗震橡胶支座时,各桥塔所受的 弯矩、剪力及梁体的位移都大为减小, 这主要是由于 铅芯支座在延长结构周期的同时,耗散了地震能量。 由于采用顺桥向和竖向耦合的地震波输入,各桥塔的 减震的效果是不同的。 4 结 论 该斜拉桥基本周期明显较短, 基本周期仅为 2. 866 s,不属于长周期。该斜拉桥在地震荷载作用 时,主梁主要受竖向激励,主塔主要受水平向的地震 激励,各个方向的空间耦合受力效应不明显。通过设 置铅芯抗震橡胶支座, 分析结构的非线性振动响应, 比较了不设置铅芯抗震橡胶支座的减震效果,发现铅 芯抗震橡胶支座能显著的减少各桥塔结构的最大位 移值和最大内力值,其减震的效果是有差异的。 #参考文献∃ [ 1] 龙晓鸿,李 黎,唐家祥,等.澳凼第三大桥斜拉桥的动力特性及 线性地震反应分析[ J] .工程力学, 2004( 12) : 166- 171. 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