超大跨懸索橋抗震性能分析
2018-03-05
1.概述
從國(guó)內(nèi)外橋梁建設(shè)里程來看，大跨徑橋梁，特別是跨徑超過1000m的橋梁，其首選的橋型就是懸索橋。超大跨懸索橋的建設(shè)水平在很大程度上反映了一個(gè)國(guó)家的橋梁建設(shè)水平，進(jìn)入本世紀(jì)以來，懸索橋的建設(shè)取得了飛躍的發(fā)展。國(guó)內(nèi)外很多建設(shè)或正在規(guī)劃的跨海大橋，如意大利墨西拿海峽大橋、直布羅陀海峽大橋、舟山西堠門大橋、瓊州海峽大橋等[1]，其主橋都是超大跨懸索橋，毋庸置疑，21世紀(jì)將是超大跨懸索橋建設(shè)的飛躍發(fā)展時(shí)期。但是超大跨懸索橋造價(jià)高，結(jié)構(gòu)損壞對(duì)交通、經(jīng)濟(jì)的影響較大，因此研究超大跨懸索橋在地震作用下的響應(yīng)機(jī)制、如何降低超大跨懸索橋在地震作用下的破壞就顯得尤為重要[2]。
2.工程概況
為了研究超大跨懸索橋在地震作用下的響應(yīng)機(jī)制，本文采用MIDAS中懸索橋建模助手建立主跨2000m的超大跨懸索橋，其有限元模型如下圖所示。
圖1超大跨懸索橋有限元模型
本文主要研究超大跨懸索橋在地震波作用下的地震響應(yīng)，由于多點(diǎn)激勵(lì)、樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用、行波效應(yīng)比較復(fù)雜，難以定量描述，因此本文研究中，暫不考慮以上三種作用的影響。
3.動(dòng)力特性分析
研究橋梁的抗震性能，必須先了解橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，主要包括結(jié)構(gòu)的周期、自振頻率以及振型特點(diǎn)等，這樣才能更進(jìn)一步的研究橋梁結(jié)構(gòu)的抗震特性。但是在用有限元分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性時(shí)，要對(duì)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、邊界條件、剛度等進(jìn)行精確模擬，這樣才能精確分析出橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。本文采用子空間迭代法計(jì)算超大跨懸索橋的動(dòng)力特性，部分典型的振型圖如下圖所示。
圖3.1一階正對(duì)稱側(cè)彎 T=29.5s
圖3.2一階反對(duì)稱側(cè)彎T=23.0s
4.地震響應(yīng)分析
4.1計(jì)算方法
根據(jù)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范相關(guān)要求，對(duì)于重要的結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用時(shí)程分析法對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震反應(yīng)分析。時(shí)程分析使橋梁的抗震設(shè)計(jì)從原來單一的強(qiáng)度保證轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度、延性的雙重保證，能更清楚的認(rèn)識(shí)橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞機(jī)理。但是在選取地震波時(shí)，應(yīng)考慮橋梁的場(chǎng)地條件、地震波特性等。本文選取taft波、San Fernando地震波進(jìn)行地震反應(yīng)分析，為了對(duì)結(jié)構(gòu)在兩條地震波作用下的響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析，將地震波的加速度峰值統(tǒng)一調(diào)整為265.4 cm/s2。
4.2計(jì)算結(jié)果分析
本文采用上述兩條地震波，從順橋向、橫橋向、豎向?qū)宜鳂蜻M(jìn)行激勵(lì)，對(duì)不同工況下的地震響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析。
(1)順橋向激勵(lì)
在兩條地震波順橋向激勵(lì)下，懸索橋地震響應(yīng)見下圖所示：
(a)橋塔順橋向位移圖示 (b)橋塔軸力圖示
(c)橋塔順橋向剪力(d)橋塔順橋向彎矩
圖4.3 不同地震波激勵(lì)下橋塔位移、塔底內(nèi)力包絡(luò)圖
從上圖中可以看到，在同一地震波激勵(lì)下，橋塔位移隨著主塔高度的增加先增大后減小，在上橫梁處達(dá)到最大，然后有所減小；主塔軸力隨著主塔高度的增加逐漸減小；主塔剪力隨著主塔高度的增加先減小后有所增大；主塔彎矩的變化比較復(fù)雜，主塔彎矩隨著塔高先減小，后增大，在上橫梁處達(dá)到最大。在地震波順橋向激勵(lì)下，橋塔的內(nèi)力變化比較復(fù)雜，因此在進(jìn)行懸索橋抗震設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮地震波順橋向激勵(lì)對(duì)橋塔內(nèi)力的不利影響。
(2)橫橋向激勵(lì)
在地震波橫橋向激勵(lì)下，懸索橋的地震響應(yīng)見下圖所示：
(a)橋塔橫橋向位移圖示(b)橋塔軸力圖示
(c)橋塔橫橋向剪力 (d)橋塔橫橋向彎矩
圖4.4不同地震波激勵(lì)下橋塔位移、塔底內(nèi)力包絡(luò)圖
從上圖中可以看到，橋塔橫橋向位移隨著塔高逐漸增加，橋塔橫橋向剪力隨著主塔高度的增加先減小，在上橫梁處達(dá)到最小，然后有所增加；在不同地震波激勵(lì)下，橋塔橫橋向彎矩的變化比較復(fù)雜，這說明橋塔的振型比較復(fù)雜。和橋塔橫橋向位移變化趨勢(shì)相比，橋塔內(nèi)力的變化更為復(fù)雜，因此在對(duì)超大跨懸索橋進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮橫向激勵(lì)對(duì)橋塔內(nèi)力的不利影響。
(3)豎向激勵(lì)
在地震波豎向激勵(lì)下，超大跨懸索橋的地震響應(yīng)見下圖所示：
(a)橋塔順橋向位移圖示(b)橋塔軸力圖示
(c)橋塔順橋向剪力(d)橋塔順橋向彎矩
圖4.5四條地震波激勵(lì)下橋塔位移、塔底內(nèi)力包絡(luò)圖
從圖中可以看到，豎向地震波激勵(lì)對(duì)橋塔位移的影響很小，但是對(duì)主塔內(nèi)力的影響較大，且主塔內(nèi)力的變化比較復(fù)雜。和地震波順橋向、橫橋向激勵(lì)下不同的是，主塔剪力、彎矩最小值出現(xiàn)在中橫梁出，在上橫梁處達(dá)到一個(gè)相對(duì)較大的峰值。
5.結(jié)論
(1) 在地震波不同方向激勵(lì)下，主塔彎矩的變化均比較復(fù)雜，在進(jìn)行超大跨懸索橋抗震設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮地震波激勵(lì)對(duì)主塔抗彎的不利影響。
(2) 無論是地震波順橋向還是橫橋向激勵(lì)，對(duì)主塔內(nèi)力的影響均比較復(fù)雜。
(3) 豎向地震波激勵(lì)雖然對(duì)主塔位移的影響較小，但是對(duì)主塔內(nèi)力的影響較大，因此在進(jìn)行懸索橋抗震設(shè)計(jì)時(shí)，不能忽略地震波豎向激勵(lì)的不利影響。
[1] 伊藤學(xué)，川田忠樹（日）等.超長(zhǎng)大橋梁建設(shè)的序幕(劉建新，和不壯譯).北京:人民交通出版社，2002.
[2] 范立礎(chǔ)，卓衛(wèi)東.橋梁延性抗震設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社，2001
[3] 葉愛君，橋梁抗震[M].北京：人民交通出版社，2002
[4] 范立礎(chǔ)，橋梁抗震[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1997
[5] 范立礎(chǔ)，王志強(qiáng).橋梁減隔震設(shè)計(jì).北京:人民交通出版社，2001.
[6] 雷俊卿等.懸索橋設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社，2001.10
[7] 牛振龍.超大跨懸索橋動(dòng)靜力特性及地震反應(yīng)分析[D].大連：大連海事大學(xué)，2007
[8] 郭華東.長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下大跨橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)及減震效果研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2011
