超大跨懸索橋抗震性能分析
2018-03-05
1.概述
從國內外橋梁建設里程來看，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水平在很大程度上反映了一個國家的橋梁建設水平，進入本世紀以來，懸索橋的建設取得了飛躍的發(fā)展。國內外很多建設或正在規(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世紀將是超大跨懸索橋建設的飛躍發(fā)展時期。但是超大跨懸索橋造價高，結構損壞對交通、經(jīng)濟的影響較大，因此研究超大跨懸索橋在地震作用下的響應機制、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機制，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，由于多點激勵、樁-土-結構相互作用、行波效應比較復雜，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.動力特性分析
研究橋梁的抗震性能，必須先了解橋梁結構的動力特性，主要包括結構的周期、自振頻率以及振型特點等，這樣才能更進一步的研究橋梁結構的抗震特性。但是在用有限元分析結構的動力特性時，要對結構的質量、邊界條件、剛度等進行精確模擬，這樣才能精確分析出橋梁結構的動力特性。本文采用子空間迭代法計算超大跨懸索橋的動力特性，部分典型的振型圖如下圖所示。
圖3.1一階正對稱側彎 T=29.5s
圖3.2一階反對稱側彎T=23.0s
4.地震響應分析
4.1計算方法
根據(jù)抗震設計規(guī)范相關要求，對于重要的結構，應采用時程分析法對橋梁結構進行地震反應分析。時程分析使橋梁的抗震設計從原來單一的強度保證轉化為強度、延性的雙重保證，能更清楚的認識橋梁結構在地震作用下的破壞機理。但是在選取地震波時，應考慮橋梁的場地條件、地震波特性等。本文選取taft波、San Fernando地震波進行地震反應分析，為了對結構在兩條地震波作用下的響應進行對比分析，將地震波的加速度峰值統(tǒng)一調整為265.4 cm/s2。
4.2計算結果分析
本文采用上述兩條地震波，從順橋向、橫橋向、豎向對懸索橋進行激勵，對不同工況下的地震響應進行對比分析。
(1)順橋向激勵
在兩條地震波順橋向激勵下，懸索橋地震響應見下圖所示：
(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 不同地震波激勵下橋塔位移、塔底內力包絡圖
從上圖中可以看到，在同一地震波激勵下，橋塔位移隨著主塔高度的增加先增大后減小，在上橫梁處達到最大，然后有所減??；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雜，主塔彎矩隨著塔高先減小，后增大，在上橫梁處達到最大。在地震波順橋向激勵下，橋塔的內力變化比較復雜，因此在進行懸索橋抗震設計時，要考慮地震波順橋向激勵對橋塔內力的不利影響。
(2)橫橋向激勵
在地震波橫橋向激勵下，懸索橋的地震響應見下圖所示：
(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不同地震波激勵下橋塔位移、塔底內力包絡圖
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，在上橫梁處達到最小，然后有所增加；在不同地震波激勵下，橋塔橫橋向彎矩的變化比較復雜，這說明橋塔的振型比較復雜。和橋塔橫橋向位移變化趨勢相比，橋塔內力的變化更為復雜，因此在對超大跨懸索橋進行抗震設計時，要考慮橫向激勵對橋塔內力的不利影響。
(3)豎向激勵
在地震波豎向激勵下，超大跨懸索橋的地震響應見下圖所示：
(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下橋塔位移、塔底內力包絡圖
從圖中可以看到，豎向地震波激勵對橋塔位移的影響很小，但是對主塔內力的影響較大，且主塔內力的變化比較復雜。和地震波順橋向、橫橋向激勵下不同的是，主塔剪力、彎矩最小值出現(xiàn)在中橫梁出，在上橫梁處達到一個相對較大的峰值。
5.結論
(1) 在地震波不同方向激勵下，主塔彎矩的變化均比較復雜，在進行超大跨懸索橋抗震設計時，要考慮地震波激勵對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，對主塔內力的影響均比較復雜。
(3) 豎向地震波激勵雖然對主塔位移的影響較小，但是對主塔內力的影響較大，因此在進行懸索橋抗震設計時，不能忽略地震波豎向激勵的不利影響。
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