超大跨悬索桥抗震性能分析
2018-03-05
1.概述
从国内外桥梁建设里程来看，大跨径桥梁，特别是跨径超过1000m的桥梁，其首选的桥型就是悬索桥。超大跨悬索桥的建设水平在很大程度上反映了一个国家的桥梁建设水平，进入本世纪以来，悬索桥的建设取得了飞跃的发展。国内外很多建设或正在规划的跨海大桥，如意大利墨西拿海峡大桥、直布罗陀海峡大桥、舟山西堠门大桥、琼州海峡大桥等[1]，其主桥都是超大跨悬索桥，毋庸置疑，21世纪将是超大跨悬索桥建设的飞跃发展时期。但是超大跨悬索桥造价高，结构损坏对交通、经济的影响较大，因此研究超大跨悬索桥在地震作用下的响应机制、如何降低超大跨悬索桥在地震作用下的破坏就显得尤为重要[2]。
2.工程概况
为了研究超大跨悬索桥在地震作用下的响应机制，本文采用MIDAS中悬索桥建模助手建立主跨2000m的超大跨悬索桥，其有限元模型如下图所示。
图1超大跨悬索桥有限元模型
本文主要研究超大跨悬索桥在地震波作用下的地震响应，由于多点激励、桩-土-结构相互作用、行波效应比较复杂，难以定量描述，因此本文研究中，暂不考虑以上三种作用的影响。
3.动力特性分析
研究桥梁的抗震性能，必须先了解桥梁结构的动力特性，主要包括结构的周期、自振频率以及振型特点等，这样才能更进一步的研究桥梁结构的抗震特性。但是在用有限元分析结构的动力特性时，要对结构的质量、边界条件、刚度等进行精确模拟，这样才能精确分析出桥梁结构的动力特性。本文采用子空间迭代法计算超大跨悬索桥的动力特性，部分典型的振型图如下图所示。
图3.1一阶正对称侧弯 T=29.5s
图3.2一阶反对称侧弯T=23.0s
4.地震响应分析
4.1计算方法
根据抗震设计规范相关要求，对于重要的结构，应采用时程分析法对桥梁结构进行地震反应分析。时程分析使桥梁的抗震设计从原来单一的强度保证转化为强度、延性的双重保证，能更清楚的认识桥梁结构在地震作用下的破坏机理。但是在选取地震波时，应考虑桥梁的场地条件、地震波特性等。本文选取taft波、San Fernando地震波进行地震反应分析，为了对结构在两条地震波作用下的响应进行对比分析，将地震波的加速度峰值统一调整为265.4 cm/s2。
4.2计算结果分析
本文采用上述两条地震波，从顺桥向、横桥向、竖向对悬索桥进行激励，对不同工况下的地震响应进行对比分析。
(1)顺桥向激励
在两条地震波顺桥向激励下，悬索桥地震响应见下图所示：
(a)桥塔顺桥向位移图示 (b)桥塔轴力图示
(c)桥塔顺桥向剪力(d)桥塔顺桥向弯矩
图4.3 不同地震波激励下桥塔位移、塔底内力包络图
从上图中可以看到，在同一地震波激励下，桥塔位移随着主塔高度的增加先增大后减小，在上横梁处达到最大，然后有所减小；主塔轴力随着主塔高度的增加逐渐减小；主塔剪力随着主塔高度的增加先减小后有所增大；主塔弯矩的变化比较复杂，主塔弯矩随着塔高先减小，后增大，在上横梁处达到最大。在地震波顺桥向激励下，桥塔的内力变化比较复杂，因此在进行悬索桥抗震设计时，要考虑地震波顺桥向激励对桥塔内力的不利影响。
(2)横桥向激励
在地震波横桥向激励下，悬索桥的地震响应见下图所示：
(a)桥塔横桥向位移图示(b)桥塔轴力图示
(c)桥塔横桥向剪力 (d)桥塔横桥向弯矩
图4.4不同地震波激励下桥塔位移、塔底内力包络图
从上图中可以看到，桥塔横桥向位移随着塔高逐渐增加，桥塔横桥向剪力随着主塔高度的增加先减小，在上横梁处达到最小，然后有所增加；在不同地震波激励下，桥塔横桥向弯矩的变化比较复杂，这说明桥塔的振型比较复杂。和桥塔横桥向位移变化趋势相比，桥塔内力的变化更为复杂，因此在对超大跨悬索桥进行抗震设计时，要考虑横向激励对桥塔内力的不利影响。
(3)竖向激励
在地震波竖向激励下，超大跨悬索桥的地震响应见下图所示：
(a)桥塔顺桥向位移图示(b)桥塔轴力图示
(c)桥塔顺桥向剪力(d)桥塔顺桥向弯矩
图4.5四条地震波激励下桥塔位移、塔底内力包络图
从图中可以看到，竖向地震波激励对桥塔位移的影响很小，但是对主塔内力的影响较大，且主塔内力的变化比较复杂。和地震波顺桥向、横桥向激励下不同的是，主塔剪力、弯矩最小值出现在中横梁出，在上横梁处达到一个相对较大的峰值。
5.结论
(1) 在地震波不同方向激励下，主塔弯矩的变化均比较复杂，在进行超大跨悬索桥抗震设计时，要考虑地震波激励对主塔抗弯的不利影响。
(2) 无论是地震波顺桥向还是横桥向激励，对主塔内力的影响均比较复杂。
(3) 竖向地震波激励虽然对主塔位移的影响较小，但是对主塔内力的影响较大，因此在进行悬索桥抗震设计时，不能忽略地震波竖向激励的不利影响。
[1] 伊藤学，川田忠树（日）等.超长大桥梁建设的序幕(刘建新，和不壮译).北京:人民交通出版社，2002.
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