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獨(dú)塔斜拉橋抗震性能分析(交通)

獨(dú)塔斜拉橋抗震性能分析(交通)

                                   張衛(wèi)紅

              (中鐵大橋局集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)分公司  武漢  430050

摘要為對(duì)特殊橋梁進(jìn)行抗震分析,以一座72.5 m+62.5 m不等跨預(yù)應(yīng)力混凝土獨(dú)塔雙索面

斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘埃⑷珮蛉S空間有限元模型,在動(dòng)力特性計(jì)算基礎(chǔ)上,采用地震反應(yīng)譜多維抗震分析方法,輸入不同等級(jí)的地震動(dòng)作用,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震性能分析。分析采用基于纖維模型的截面彎矩曲率彈塑性分析方法。計(jì)算結(jié)果表明,該獨(dú)塔斜拉橋結(jié)構(gòu)在ElE2地震作用下具有良好的整體抗震性能。

關(guān)鍵詞  獨(dú)塔斜拉橋  動(dòng)力特性  地震反應(yīng)譜纖維模型  彈塑性分析方法

    近年來(lái),我國(guó)修建了大量斜拉橋,其中獨(dú)塔斜拉橋以其明確可靠的受力體系而得到廣泛的應(yīng)用,這些橋梁的抗震性能越來(lái)越受到重視。但由于目前關(guān)于斜拉橋的抗震研究工作還不夠充分,交通部發(fā)布的《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T B02-01-2008)(以下簡(jiǎn)稱《細(xì)則》)中,對(duì)斜拉橋等特殊橋梁只給出了設(shè)計(jì)原則。為此,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)其展開過(guò)深入的理論性研究,并就不同的抗震計(jì)算方法給出了實(shí)踐性指導(dǎo)建議。

    筆者依據(jù)橋梁抗震設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范,依托工程設(shè)計(jì)實(shí)例,提出了基于纖維模型的彈塑性分析方法,對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土獨(dú)塔斜拉橋采用多振型反應(yīng)譜法進(jìn)行基于性能目標(biāo)的抗震計(jì)算分析,為該類橋梁的抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1  工程概況

    遼寧省海城市同澤大橋主橋采用72.5 m+62.5 m不等跨預(yù)應(yīng)力混凝土獨(dú)塔雙索面斜拉橋。

斜拉橋主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土變高、變寬箱梁,箱梁采用單箱3室截面,邊支點(diǎn)、跨中箱梁中心高2.4 m,在橋塔位置局部加高為3.2 m。主塔柱采用橢圓型外包鋼板混凝土結(jié)構(gòu),塔高自梁頂以上45 m,單個(gè)截面橫橋向?qū)挾冉孛鏋樽儗挾龋ㄋ斨了汗探Y(jié)底面為2.5 m,承臺(tái)頂為4m),縱橋向?qū)挾冉孛鏋樽儗挾龋ㄋ敒?/font>4.0 m,橋面處為5.0 m,承臺(tái)頂為6m),斜拉索采用直徑7 mm的平行鋼絲,冷鑄錨體系,塔上設(shè)張拉端。橋塔下采用2個(gè)由系梁連接的承臺(tái),承臺(tái)尺寸為14.4 m×22.0 m×4.5 m;A(chǔ)采用24根直徑2.0 m樁基礎(chǔ)。

2有限元模型建立

    采用Midas/Civi建立結(jié)構(gòu)空間有限元計(jì)算模型。其中主梁、墩柱、樁基均采用空間梁?jiǎn)卧M?紤]斜拉索垂度效應(yīng),并利用節(jié)點(diǎn)彈性支撐模擬樁一土相互作用,其順橋向、橫橋向及豎向約束剛度采用m法計(jì)算。計(jì)算模型見圖1。

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3動(dòng)力特性分析

    按照多自由度結(jié)構(gòu)的自由振動(dòng)進(jìn)行特征值分析,將成橋狀態(tài)前10階頻率及振型列于表1。

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    通過(guò)計(jì)算分析,該獨(dú)塔斜拉橋體系具有如下動(dòng)力特性。

    (1)由于本斜拉橋?yàn)樗汗探芋w系,計(jì)算結(jié)果表明該橋基本周期較短,理論計(jì)算值為0. 903 s,反映出該體系的斜拉橋剛度較大的特點(diǎn)。

    (2)結(jié)構(gòu)的1階模態(tài)為塔縱彎、梁反對(duì)稱豎彎,表明主塔在縱向剛度上小于橫向剛度,主塔順橋向地震計(jì)算中可能為最不利。但結(jié)構(gòu)在隨后發(fā)生的2階模態(tài)中即出現(xiàn)塔橫向撓曲,說(shuō)明主塔橫橋向地震效應(yīng)也應(yīng)該引起重視。

    (3)雙索面斜拉橋由于拉索能提供抗扭能力,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)抗扭剛度增加,扭轉(zhuǎn)頻率增大,由計(jì)算可知,該橋在第9階振型中才出現(xiàn)塔水平面扭曲。

4抗震計(jì)算分析

4.1分析方法

    橋位區(qū)地震基本烈度7度,地震動(dòng)反映譜特征周期為0. 35 s,設(shè)計(jì)地震峰值加速度為0.15g,工程場(chǎng)地類型為II類?拐鹩(jì)算中,結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)通過(guò)加速度反應(yīng)譜分析得到,反應(yīng)譜結(jié)果采用《細(xì)則》中相關(guān)規(guī)定。

    根據(jù)《細(xì)則》,本72.5 m+62.5 m獨(dú)塔斜拉橋?yàn)?/font>7度區(qū)的B類橋梁,應(yīng)按下列要求進(jìn)行抗震驗(yàn)算。

    (1)El地震作用下,結(jié)構(gòu)不發(fā)生損傷,保持在彈性范圍內(nèi)。

    (2)E2地震作用下,主塔、基礎(chǔ)、主梁等重要結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件局部可發(fā)生可修復(fù)的損傷,地震后基本不影響通行。

地震作用的振型組合采用CQC法;計(jì)算地震時(shí)考慮2種組合:恒載作用效應(yīng)十地震作用效應(yīng),地震作用效應(yīng)分別考慮順橋向X(同時(shí)計(jì)入豎向Z)和橫橋向Y(同時(shí)計(jì)人豎向Z)的地震作用。

4.2地震力計(jì)算結(jié)果

    主塔抗震計(jì)算中控制截面位置示意見圖2,鑒于篇幅所限,僅列出E2地震作用下各部位地震力計(jì)算結(jié)果見表2

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E1E2地震作用下,由于考慮到豎向地震作用,因此存在著軸向力最大(豎向地震作用向下)和軸向力最小(豎向地震作用向上)2種情形。

    由地震力計(jì)算結(jié)果可知,在E2順橋向地震作用下,塔底截面彎矩最大,為228 959 kNm,梁頂緣塔截面彎矩亦較大,為152 112 kNm;橫橋向地震作用下,塔底截面彎矩為135 551 kNm,梁頂緣塔截面彎矩為89 886 kNm。

    根據(jù)主塔設(shè)計(jì)方案中的截面配筋及地震效應(yīng)判斷,主要對(duì)梁頂緣及塔底2控制截面進(jìn)行抗震驗(yàn)算。驗(yàn)算按E1地震作用階段和E2地震作用階段分別進(jìn)行。

獨(dú)塔斜拉橋抗震性能分析(交通)2108.png 

4.3截面彎矩一曲率分析

    《細(xì)則》中關(guān)于特殊橋梁抗震設(shè)計(jì)的章節(jié)里,提到了將驗(yàn)算截面劃分為纖維單元,并通過(guò)數(shù)值積分法得出彎矩一曲率曲線的計(jì)算方法。

    基于此,通過(guò)建立合適的彈塑性材料滯后模型,對(duì)混凝土采用Mander模型,對(duì)鋼筋材料采用一般對(duì)稱的雙折線模型,并通過(guò)截面纖維劃分計(jì)算出主塔主要控制截面在不同地震作用下的彎矩曲率曲線。圖3示例性給出了主塔塔底截面在E2地震作用下的縱向彎矩曲率曲線。

4.4抗震驗(yàn)算結(jié)果

    E1E2地震作用下主塔梁頂緣及塔底截面抗震驗(yàn)算結(jié)果見表3

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   抗震驗(yàn)算結(jié)果表明,在E1地震作用下,橋塔截面彎矩小于截面初始屈服彎矩My(考慮軸力)。由于My為截面最外層鋼筋首次屈服時(shí)對(duì)應(yīng)的初始屈服彎矩,因此當(dāng)?shù)卣鸱磻?yīng)彎矩小于初始屈服彎矩時(shí),整個(gè)截面保持在彈性,結(jié)構(gòu)滿足在彈性范圍工作的性能目標(biāo)。

    E2地震作用下,橋塔截面彎矩小于截面等效抗彎屈服彎矩M e q(考慮軸力)。M e q是把實(shí)際彎矩一曲率曲線等效為理想彈塑性雙線性恢復(fù)力模型時(shí)得到的等效抗彎屈服彎矩。從理想彈塑性雙線性模型看,當(dāng)?shù)卣鸱磻?yīng)彎矩小于等效抗彎屈服彎矩時(shí),結(jié)構(gòu)整體反應(yīng)還在彈性范圍內(nèi)。

5結(jié)語(yǔ)

    (1)由動(dòng)力特性分析的結(jié)果可以看出,海城市同澤大橋主橋采用塔梁固結(jié)體系,結(jié)構(gòu)的1階模態(tài)表現(xiàn)為塔縱彎、梁反對(duì)稱豎彎,塔縱彎先于橫彎發(fā)生,表明主塔縱向剛度小于橫向剛度,主塔順橋向地震計(jì)算中為最不利,抗震驗(yàn)算中證實(shí)了此點(diǎn)。

    (2)依據(jù)抗震細(xì)則中關(guān)于特殊橋梁抗震設(shè)計(jì)的有關(guān)規(guī)定,主塔作為獨(dú)塔斜拉橋的重要結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件,在E2地震作用下其局部可發(fā)生可修復(fù)的損傷。文中提到的彈塑性雙線性模型等效抗彎屈服彎矩在實(shí)際中對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)反應(yīng)為截面部分鋼筋進(jìn)入屈服,但整體還處在彈性范圍內(nèi)。這種性能目標(biāo)階段處于完全彈性構(gòu)件與延性構(gòu)件(產(chǎn)生塑性鉸)之間,即認(rèn)為主塔等重要構(gòu)件抗震設(shè)計(jì)要求要高于邊墩等橋梁結(jié)構(gòu)中比較容易修復(fù)的構(gòu)件。

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