某大跨矮塔斜拉橋基于時程地震響應分析

潘 勇 劉 柯

(1.中鐵五局成都投資發(fā)展有限責任公司，四川 眉山 620562； 2.西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031)

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某大跨矮塔斜拉橋基于時程地震響應分析

潘 勇1劉 柯2

(1.中鐵五局成都投資發(fā)展有限責任公司，四川 眉山 620562； 2.西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031)

以沅江矮塔斜拉橋為工程背景，利用有限元軟件MIDAS/CIVIL建立了三維模型，對結(jié)構(gòu)動力特性進行了計算分析，并基于時程的抗震分析方法對結(jié)構(gòu)進行了地震響應分析，對今后類似橋型的地震分析具有一定的參考價值。

矮塔斜拉橋，動力特性，地震波，有限元模型

0 引言

矮塔斜拉橋是較晚出現(xiàn)的建立在一般斜拉橋與梁橋基礎上的一種橋型，具有塔矮、剛度大、索力集中、方便施工等特點。我國矮塔斜拉橋發(fā)展較晚，蕪湖長江大橋是我國第一座矮塔斜拉橋，于2000年建成，隨后矮塔斜拉橋在我國發(fā)展迅速，目前在國內(nèi)已成功修建了多座矮塔斜拉橋,并逐步發(fā)展為一種主要的結(jié)構(gòu)形式。文章以湖南沅江矮塔斜拉橋為例進行動力特性分析，同時在多條地震波作用下進行時程分析，所得結(jié)論可供類似橋型的地震分析和設計參考。

1 工程背景

該橋在湖南省懷化市安江鎮(zhèn)跨越沅江，水流較緩，線路法線與水流方向夾角為83°，沅江水較深，河床面較平緩，最大水深在8.5 m左右。主橋孔跨布置為(90+180+90)m，全長361.6 m，橋面寬13.6 m，雙索面的斜拉索形式，橋梁體系為塔梁固結(jié)，梁體上方的橋塔高28.0 m，主梁與橋墩用支座連接。

全梁共分66個梁段，支座處梁高9.6 m，跨中梁高5.0 m，支座處梁底平段長6 m，在主梁采用單箱單室。主梁施工采用掛籃懸臂澆筑。

2 動力特性分析

2.1 有限元模型

利用大型有限元軟件MIDAS/CIVIL建立全橋空間有限元模型，其中主梁、塔柱、橋墩、樁基礎采用空間梁單元模擬，斜拉索采用空間桁架單元模擬,預應力索作為等代荷載施加于梁體。全橋

共計節(jié)點780個,單元717個。有限元模型如圖1所示。

2.2 自振特性

橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性包括結(jié)構(gòu)的自振頻率、自振振型、結(jié)構(gòu)阻尼。不同橋梁在地震作用下，其響應也不同，因其質(zhì)量、剛度、形狀等因素的差異，這些因素的耦合又直接決定了結(jié)構(gòu)的自振特性的不同。文章進行橋梁模態(tài)分析，計算結(jié)果如表1所示，限于篇幅文章只給出前6階振型圖，如圖2～圖7所示。

表1 沅江矮塔斜拉橋自振周期表

本橋為塔梁固結(jié)體系，兩個中墩承受的荷載遠大于邊墩，所以橋墩剛度相差較大，故振型變化較大。本橋第一階出現(xiàn)主梁對稱豎彎，說明主梁豎向剛度相對較弱，因此在地震分析時需要注意控制主梁的豎向位移；此外該結(jié)構(gòu)的振型基本上多為橫彎和豎彎，沒有出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，表明了雙塔雙索面的矮塔斜拉橋抗扭剛度較大。

3 基于時程的地震分析

3.1 地震波的選取

文章采用時程方法對結(jié)構(gòu)地震響應進行分析，選取實際記錄的地震波時以下列三要素作為選擇依據(jù)[1,2]。

1)頻譜特性。

地震波的特征周期與結(jié)構(gòu)所處的實際場地對應下的特征周期接近，差值在10%以內(nèi)。特征周期按下列公式計算：

EPA=Sa/2.5

(1)

EPV=Sv/2.5

(2)

Tg=2π×EPV/EPA

(3)

式中：EPA——有效峰值加速度；EPV——有效峰值速度；Tg——特征周期。

2)持續(xù)時間。

地震波的振動往往持續(xù)一段時間，在這段時間中，包含地震震動最大反應過程，在有限元軟件中可以直觀的模擬得到持續(xù)時間，持續(xù)時間一般為周期的5倍～10倍。

3)有效峰值。

本橋利用midas-building軟件選取的地震波滿足前面兩個選波要素后，進行有效峰值的調(diào)整，如下式：

(4)

根據(jù)本橋的場地類別采用適用于Ⅱ類場地的地震波，并根據(jù)頻譜特性、持續(xù)時間、有效峰值三要素對其三條波進行修整，選取了1971年的pacoima1波；1979年的James_v波；1966年的park130波。

三條地震波如圖8～圖10所示。

對三條波的峰值進行調(diào)整，進行放大系數(shù)處理，調(diào)整系數(shù)如表2所示。

表2 三條地震波峰值調(diào)整系數(shù)

波名稱地震波(峰值加速度)反應譜加速度調(diào)整系數(shù)(水平)調(diào)整系數(shù)(豎向)pacoimal0.80650.10.1240.0806James_v0.24340.10.41080.2671park1300.20810.10.48050.3123

3.2 位移響應分析

分別考慮橫橋向、縱橋向、豎向三個方向的地震力對結(jié)構(gòu)的影響，且根據(jù)《鐵路橋涵抗震設計規(guī)范》，考慮縱橋向+豎向和橫橋向+豎向地震波組合效應，建模采用雙支座形式，對本橋的抗震性能進行分析。

在以上各工況下，以2號墩，即固定墩墩頂、墩底和跨中截面為研究對象，在橫+豎地震波組合下墩頂順橋向位移出現(xiàn)最大值如圖11所示，取三條地震波作用下的結(jié)果最大值，得到如表3所示結(jié)果。

由表3看出橫向地震波只影響結(jié)構(gòu)的橫向位移，縱向和豎向地震波可同時影響結(jié)構(gòu)的縱橋向和豎向的位移，橫+豎和縱+豎的地震荷載組合為相應兩個方向作用的結(jié)果組合。

表3 橫+豎作用下關鍵截面位移

mm

3.3 內(nèi)力位移分析

計算地震波作用下各截面的內(nèi)力最大值，在多種工況下，對關鍵截面進行時程分析，在縱+豎地震組合效應時，2號墩墩底彎矩響應最大，如圖12所示，各工況最大值分析結(jié)果如表4所示。

表4 多種荷載工況在中跨的截面內(nèi)力

荷載單元軸向kN剪力-ykN剪力-zkN扭矩kN·m彎矩-ykN·m彎矩-zkN·m橫跨中0389.410-1104.08079900.1墩頂020971.570-77320.520-466156.85墩底021755.950-77320.520-586302.19縱跨中-3530.7901656.0707467.170墩頂1225.78017122.70-275048.330墩底1226.25017479.180-371296.670豎跨中-1596.450111.64027048.350墩頂-7296.6201253.330-19730.690墩底-7917.3901255.010-27259.540橫+豎跨中-1596.16389.4111.62-1104.0727048.4179900.15墩頂-7296.5920971.571253.07-77320.71-19726.55-466156.73墩底-7917.3521755.951254.76-77320.71-27253.88-586302.23縱+豎跨中-2727.60-1690.26021474.370墩頂-6533.79016810.320-269011.880墩底-7154.47017358.210-364535.020

單獨施加三個方向的地震波時可以看出軸向N、剪力Qz、彎矩My主要是由縱橋向和豎橋向的荷載貢獻，而剪力Qy、彎矩Mz、扭矩T主要是由橫橋向的地震動產(chǎn)生。

在橫+豎地震組合作用下，結(jié)構(gòu)關鍵截面在各方向受力，在縱+豎地震組合下結(jié)構(gòu)主要為軸向N、剪力Qz、彎矩My方向受力。

4 結(jié)語

文章基于時程的抗震方法對沅江矮塔斜拉橋進行了計算分析，得到如下結(jié)論：

1)本橋前十階周期沒有出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，說明雙塔雙索面的矮塔斜拉橋抗扭剛度大。本橋第一階出現(xiàn)主梁對稱豎彎，說明主梁豎向剛度相對較弱，因此在地震分析時需要注意控制主梁的豎向位移。

2)介紹了如何根據(jù)橋址區(qū)場地類別和特征周期不同，依據(jù)選拔三要素選取相對應的地震實錄波，且當有3組時程地震波參與分析時，應當采用結(jié)構(gòu)響應的最大值；當采用7組時程地震波計算分析時，應當采用平均值，本次模型采用了3組地震波，故在各個工況下取結(jié)果極值。

3)從時程分析可以看出，單一方向的地震波只會引起結(jié)構(gòu)的部分方向地震響應，對其他方向影響較小，多方向地震波組合下的地震響應的最大值可以近似為多個單一地震波作用的線性疊加。并且不同地震動輸入方式引起結(jié)構(gòu)的地震反應差別較大，對結(jié)構(gòu)的影響也相差較大。

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Based on the aseismic analysis of cable-stayed bridge of the time-procedure

Pan Yong1Liu Ke2

(1.ChinaRailwayFiveBureauChengduInvestment&DevelopmentCo.,Ltd,Meishan620562,China;2.SchoolofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

This paper takes the Yuanjiang low tower cable-stayed bridge as the engineering background, uses the finite element software MIDAS/CIVIL to establish the three-dimensional model, calculates and analyzes the structure dynamic characteristics, seismic analysis method based on the schedule for structural seismic response analysis, the results for seismic analysis of similar bridge has a certain reference value.

low tower cable-stayed bridge, dynamic property, earthquake wave, finite element model

1009-6825(2017)17-0155-03

2017-04-01

潘 勇(1970- )，男，工程師

U442.55

A