異形獨塔雙層橋面斜拉橋動力特性及地震反應(yīng)分析

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1、異形獨塔雙層橋面斜拉橋動力特性及地震反應(yīng)分析2010年第l0期鐵道建筑RailwayEngineering文章編號:1003—1995(2010)10-0001—04異形獨塔雙層橋面斜拉橋動力特性及地震反應(yīng)分析楊吉新,朱偉偉,丁蘭,李曉亮(1.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院,武漢430063;2.湖北省路路通公路設(shè)施工程有限公司,武漢430053)摘要:固有頻率和振型是反映結(jié)構(gòu)動力特性的主要模態(tài)參數(shù),是評價橋梁動力性能的重要依據(jù).結(jié)合深圳皇崗一香港落馬洲獨塔雙層橋面斜拉橋的工程設(shè)計實例,采用大型有限元分析程序建立全橋結(jié)構(gòu)有限元模型,對獨塔斜拉橋結(jié)

2、構(gòu)的一般動力特性進(jìn)行了分析,并采用反應(yīng)譜法對該橋進(jìn)行了線性地震反應(yīng)分析,討論了在兩種振型組合方法和三組振型數(shù)情況下獨塔斜拉橋地震響應(yīng)的最大值,為該橋的抗震,抗風(fēng)分析提供參考.關(guān)鍵詞:獨塔斜拉橋動力特性有限元模型反應(yīng)譜法地震反應(yīng)中圖分類號:U448.27;U441.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B隨著斜拉橋跨徑的不斷增大,其結(jié)構(gòu)剛度越來越柔,斜拉橋在動力荷載(如風(fēng),地震和車輛荷載等)作用下的動力分析和結(jié)構(gòu)性能倍受工程界關(guān)注.而橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性包括自振頻率,主振型及阻尼等¨,是結(jié)構(gòu)本身固有的,反映橋梁的剛度指標(biāo).它對于正確地進(jìn)行橋梁的抗震設(shè)計及維護(hù)有著重要

3、的意義.本文從動力特性的角度出發(fā),對承擔(dān)雙層交通的深圳皇崗一香港落馬洲異形獨塔雙索面斜拉橋進(jìn)行了動力特性分析,為進(jìn)一步分析結(jié)構(gòu)的抗震性能和抗風(fēng)性能打下了基礎(chǔ);同時采用反應(yīng)譜法分析了結(jié)構(gòu)的線性地震響應(yīng),討論了在兩種振型組合方法和三組振型數(shù)情況下獨塔斜拉橋地震響應(yīng)的最大值.1工程概況深圳皇崗一香港落馬洲大橋為承擔(dān)雙層人行交通的異形獨塔雙索面斜拉橋,跨徑組成為34.20m+133.65m+72.15m,橋面有效凈寬16.5m.主梁底層采用全焊正交異性板橋面鋼箱梁,梁高1.7m,頂板采用厚6mm的閉口肋,板厚12mm,底板采用厚6mm的閉口肋,板

4、厚10mm,在灌注壓重混凝土處加厚至12mm;中層為正交異性板橋面鋼板梁,頂板采用厚6mm的閉口肋,板厚為12mm,縱橫梁均為I字梁;頂層為K形栓焊桁架,豎桿與各層之間采用栓接.邊跨底層主梁兩邊灌注混凝土壓重,使主跨,邊跨豎向重量能收稿日期:2010-04—13;修回日期:2010—06—18作者簡介:楊吉新(1964一),男,湖南省永州市人,教授,博士.大致平衡.索塔基礎(chǔ)采用擴大基礎(chǔ),塔在梁底以上高72m,梁底以下18m,下塔柱向主跨傾斜9.8..兩塔柱上下設(shè)兩道橫梁,其下橫梁與底層鋼梁固結(jié).邊跨與主跨索均設(shè)13對斜拉索,邊跨索距4m,

5、中跨索距8m,索梁節(jié)點采用鋼錨箱結(jié)構(gòu).設(shè)計最大陣風(fēng)風(fēng)速62.3m/s(離地面10m),地震基本烈度7度.該橋布置見圖1.本橋的結(jié)構(gòu)具有如下特點;①獨塔雙索面斜拉橋,主邊跨度相差懸殊;②由于雙層荷載,活載和二期恒載大于一般的橋梁;③斜拉橋主梁采用不設(shè)斜桿的鋼框架結(jié)構(gòu);④塔梁固結(jié),下塔柱向主跨傾斜.該橋由于其獨特的結(jié)構(gòu)形式.故需要對其動力特性及抗震性能進(jìn)行分析.2有限元計算模型2.1動力特性分析基本方程Fleming,Egeseli和Nazmy,Abdel—Chaffar對斜拉橋做過大量的線性和非線性動力分析,認(rèn)為用線性理論分析得到的結(jié)果是可

6、以接受的.多自由度結(jié)構(gòu)的線性動力有限元控制方程為M+C+Kx:0(1)式中,,c,分別為結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量矩陣,總阻尼矩陣,總剛度矩陣;,,分別為結(jié)構(gòu)加速度向量,速度向量,位移向量.忽略結(jié)構(gòu)阻尼的影響時,橋梁自由振動的特征方程為2鐵道建筑240000133650圖1橋梁立面布置(單位:iTln1)}K～(【)Ml=0(2)式中,∞為橋梁系統(tǒng)各階固有頻率,對應(yīng)著各階固有振型.2.2空間有限元建模原則為了準(zhǔn)確地求解該橋動力特性,建立結(jié)構(gòu)的空間三維模型,對實際結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬.計算模式的模擬著重于結(jié)構(gòu)的剛度,質(zhì)量和邊界條件的模擬,而且應(yīng)當(dāng)盡可能地與實際結(jié)

7、構(gòu)相符.結(jié)構(gòu)的剛度模擬主要指桿件的軸向剛度,彎曲剛度,剪切剛度和扭轉(zhuǎn)剛度,對于一些更復(fù)雜的情況,有時也包括翹曲剛度的模擬以及桿件之間的相互剛度,如伸縮裝置的模擬等.結(jié)構(gòu)的質(zhì)量模擬,主要指桿件的平動質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量的模擬.邊界條件模擬應(yīng)和結(jié)構(gòu)的支承條件相符.2.2.1橋梁構(gòu)造的模擬該模型塔柱,墩,承臺和主梁邊立柱,頂層弦桿均采用空間梁單元模擬,為了準(zhǔn)確地模擬堆聚質(zhì)量分布,振型形狀和地震力分布,主塔單元劃分相對其它單元更為細(xì)密.雙層橋面板均采用板單元模擬,斜拉索采用只受拉的桁架單元.由于拉應(yīng)力和自重垂度影響的非線性剛度特性,采用等效彈性模量的方

8、法,用Ernst公式進(jìn)行修正.2.2.2質(zhì)量轉(zhuǎn)化與初拉力的考慮橋面鋪裝設(shè)計時不做受力計算,即不與主梁構(gòu)成整體一起承受結(jié)構(gòu)內(nèi)力,在建模時僅模擬鋪裝的質(zhì)量,而不模擬其剛度,按均布荷載加載到橋面單元