某双塔斜拉桥抗震性能研究

收稿日期:2008209227

作者简介:雷昕弋(19822),男,同济大学土木学院硕士研究生,上海　200092

王翠翠(19822),女,中国地震局工程力学研究所硕士研究生,黑龙江哈尔滨　150080张　辉(19822),男,同济大学土木学院硕士研究生,上海　200092

雷昕弋　王翠翠　张　辉

摘　要:以某大跨双塔斜拉桥为例,建立了主桥和引桥一体的动力模型,通过反应谱和非线性时程方法,分析了其地震响

应,研究表明该桥满足抗震性能目标,纵向设置粘滞阻尼器后能显著的减少纵向地震反应内力。关键词:斜拉桥,动力特性,抗震性能,粘滞阻尼器中图分类号:U442.55文献标识码:A

　　最近的二十余年,全球的许多次大城市地震表明:由于桥梁

工程遭到严重破坏,切断了震区交通生命线,造成救灾工作的巨大困难,使次生灾害加重,导致了巨大的经济损失。本文以某大型双塔斜拉桥为例,论述其抗震性能研究过程。

1　工程概况

某桥为54m +166m +468m +166m +54m 四索面联塔分幅钢与混凝土叠和梁斜拉桥,漂浮体系。大桥主塔采用独特的双菱形桥塔,如图1所示,主梁采用钢混凝土双π形叠和梁。桥型布置如图2所示。

表1　主通航孔桥结构抗震设防水准与性能目标

设防地震概率水平

结构性能要求

结构校核目标P 1:100年10%

桥塔、桩基础在弹性范围内工作;

桥墩可出现裂缝,不影响使用;支座连接构造正常工作

桥塔、桩基校核应力;桥墩校核承载能力P 2:100年3%

桥塔、桩基础可出现微小裂缝,不影响使用;

桥墩可进入塑性,但需验算塑性铰转角能力;

支座可以剪断,连接构造措施需确保不发生落梁与垮塌

桥塔、桩基校核极限承载能力;

桥墩按延性设计,验算塑性铰转角能力;

验算连接构造受力,保证不垮塌

2　性能目标

　　该桥的结构抗震性能研究采用两水准设防、两阶段的抗震设计思想。结合该桥的结构特点,同时参照国内外其他相似桥梁的抗震设防水准,最终确定结构的两级设防水准及其对应的结构性能目标见表1。

3　动力计算模型和动力特性分析3.1　计算模型

根据桥梁结构的总体构造布置特点,建立如图2所示的结构动力特性和地震分析的三维有限元模型。计算模型均以顺桥向为x 轴,横桥向为y 轴,竖向为z 轴。

模型中主塔、主梁、桥墩均离散为空间梁单元,其中主梁采用单梁式力学模型,并通过主从约束同斜拉索面形成“鱼骨式”模型;斜拉索采用空间桁架单元,并考虑拉索垂度效应以及恒载几何刚度的影响;承台采用集中质量进行模拟;各处基础采用集中六向自由度弹簧模型加以模拟;此外,在主桥两侧还分别建立一联引桥,以考虑边联桥的影响。模型中各部分约束条件详见表2。

表2　边界和连接条件

位置

自由度

x

y

z θx θy θz 主塔、锚固墩、辅助墩底

s s s s s s 主塔和主梁间支座011101拉索和主梁

111000锚固墩、辅助墩与主梁间支座

1

1

1

1

注:x 为纵桥向,y 为横桥向,z 为竖向。0表示自由,1表示主从或固结,s

表示弹簧约束

3.2　动力特性分析

根据前述的动力计算模型,对结构进行了动力特性的分析研究。表3为结构前10阶振型及对应的频率。从表3中可以看出结构的第一阶周期为主梁纵飘振型,周期为7.024s ,主梁一阶对称竖弯和横弯振型的周期分别为3.352s 和2.872s 。

4　地震输入

根据工程地震研究所提交的《工程场地地震安全性评价报告》,

Methods for old highw ay bridge strengthening reconstruction

MENG De 2xia

Abstract :In view of low standards of designed load of early bridges ,which cause the occurrence of many danger bridges ,in this paper com 2bined with engineering practices some methods are discussed for old highway bridge strengthening reconstruction in order to im prove service performances of bridge and prolong its service life to extend its inherent service functions.K ey w ords :old highway bridge ,strengthening reconstruction ,method ,service life

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503・　　　

第35卷第2期2009年1月　　　　　　　　　　　　　　山西建

筑SHANXI 　ARCHITECTURE

Vol.35No.2Jan.　2009

在3%阻尼比下对应P 1概率、P 2概率的场地设计地震水平向峰

值加速度分别为0.131g 和0.153g 。采用时程分析法进行地震反应分析时,P 1概率和P 2概率各取3组地震加速度时程进行地震反

应分析,分析结果取3组反应最大值的平均值。地震激励采用纵向+竖向和横向+竖向两种输入组合方式,其中竖向输入采用相应的水平向输入,竖向地震系数取相应水平地震系数的1/2

。

表3　结构的动力特性

振型阶数

周期/s 振型特征17.024双主梁同向纵飘2 5.183双主梁反向纵飘3 3.352双主梁同向一阶竖弯4 3.165双主梁反向一阶竖弯5 2.872双主梁同向一阶横弯6 2.749双主梁反向一阶横弯7 2.65双主梁同向反对称竖弯8 2.449双主梁反向反对称竖弯

9 1.823引桥纵向振动10

1.823

引桥纵向振动

5　地震反应分析

采用反应谱方法与非线性时程方法分别对主、引桥进行了地震反应分析。输入的反应谱采用两个超越概率水平的地震加速度反应谱,取前700阶振型,按CQC 法进行组合,方向组合采用SRSS 。时程分析时考虑滑动支座摩擦耗能作用。

表4　关键截面纵向地震反应(100年3%)

截面位置时程分析法轴力/kN 剪力/kN 弯矩/kN ・m 1号23076146716059542号27053178847321653号256801375527884号20595110284246965号17236805151496号72935196815397号72354583443688号

16937

8163

341804

表5　关键节点位移(100年3%)

m

分析方法位移

纵向时程分析法

塔顶位移0.400梁端位移0.372跨中位移

0.373

　　通过比较可知,时程的结果比反应谱的结果普遍要小,其原因是加速度时程曲线转换成的反应谱曲线落在设计反应谱曲线的下侧。当然滑动支座摩擦耗能对于主塔在纵向地震反应下的

弯矩减少也是有贡献的。

6　抗震设计

根据以上结果,按时程分析的计算结果进行验算。P 2概率,主塔在纵向地震反应下不满足性能要求,过渡墩底和辅助墩底在横向地震反应下已经进入塑性阶段,需验证转动能力。为减小纵向地震反应时主塔内力,借鉴国内外斜拉桥的抗震设计经验,拟设置粘滞阻尼器。阻尼器布置为每幅桥塔梁连接处设两个阻尼器,全桥共计8个,经过一系列的参数选择后,选定阻尼常数C =2000,阻尼指数ξ=0.2的阻尼器。添加阻尼器后的时程计算结果见表4～表6。

表6　控制点在横向地震反应下的塑性转角(100年3%)

rad

墩型最大塑性转角允许塑性转角

过渡墩0.001290.011辅助墩

0.00622

0.011

7　结语

通过对该双塔斜拉桥的抗震分析研究表明:

1)结构的抗震性能满足预期的设计要求。在P 2概率地震作用下,主体构件基本保持弹性,边墩和辅助墩进入弹塑性状态,需要边墩和辅助墩具有足够的延性变形能力来满足抗震需求,因此建议对桥墩的塑性铰区进行箍筋加密。

2)在纵向设置阻尼器后,能够显著的减少主塔在纵向地震反应中的内力和结构位移,有利于结构抗震。参考文献:[1]　范立础.桥梁抗震[M ].上海:同济大学出版社,1997.[2]　范立础,李建中,王君杰.高架桥梁抗震设计[M ].北京:人民交通出版社,2001.[3]　范立础,胡世德,叶爱君.大跨度桥梁抗震设计[M ].北京:

人民交通出版社,2002.[4]　J TJ 0042,公路工程抗震设计规范[S].[5]　李勇刚.桥梁减震隔震技术[J ].山西建筑,2007,33(30):

1152116.

Study on seismic performance for a cable 2stayed bridge

LEI Xin 2yi 　WANG Cui 2cui 　ZHANG H ui

Abstract :In the paper ,a long 2span cable 2stayed bridge is taken as an example.The dynamic model of cable 2stayed bridge included main bridge and approach bridges.Using response spectrum and time history analysis method to analysis the response under earthquake attacked.The study results indicate that the seismic performance of the cable 2stayed bridge can meet the expected goal.The seismic res ponse in longitu 2dinal direction decreased obviously when allocated viscous dam pers.

K ey w ords :cable 2stayed bridge ,dynamic characteristics ,seismic performance ,viscous dampers

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603・第35卷第2期2009年1月

山西建筑　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　下载本文