塔梁固結(jié)斜拉橋抗震性能分析

趙 子 鵬

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

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塔梁固結(jié)斜拉橋抗震性能分析

趙 子 鵬

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

以某采用塔、梁固結(jié)的獨(dú)塔斜拉橋工程實(shí)例為背景，建立了該橋的空間有限元模型，并且進(jìn)行了橋梁的模態(tài)分析，在不同地震水平作用下，分別采用縱向+豎向和橫向+豎向兩種作用組合，分析了主塔的結(jié)構(gòu)抗震性能，為獨(dú)塔斜拉橋的抗震設(shè)計(jì)提供參考。

獨(dú)塔斜拉橋，抗震性能，模態(tài)分析，動(dòng)態(tài)時(shí)程分析

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，城市橋梁的建造不僅僅重視它的跨越功能，也越來越重視它的美觀與造型。斜拉橋由于造型簡(jiǎn)潔、優(yōu)美，易與周圍的環(huán)境相互協(xié)調(diào)統(tǒng)一，在市政橋梁中得到了大量的應(yīng)用。塔、梁固結(jié)斜拉橋結(jié)構(gòu)體系施工難度較低，但橋塔與主梁固結(jié)區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜。本文以某采用塔、梁固結(jié)的獨(dú)塔斜拉橋工程實(shí)例為背景，對(duì)其抗震性能進(jìn)行分析，包括地震作用下的橋梁模態(tài)分析和安全性能。

1 有限元模型

該橋?yàn)楠?dú)塔雙索面非對(duì)稱斜拉橋，跨徑布置為(70+65)m，梁、塔固結(jié)，索塔自橫梁頂面以上高為32.2 m，索塔橫梁頂面以下高為8.35 m。該橋?yàn)槌鞘锌焖俾罚O(shè)計(jì)行車速度為60 km/h，設(shè)計(jì)荷載為公路—Ⅰ級(jí)。地震基本烈度按7度抗震設(shè)防，地震動(dòng)峰值加速度為0.10g。橋?qū)挒?6.25 m，主梁為單向三室預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，上下塔柱均為矩形截面，上塔柱尺寸為2 m×3.5 m，下塔柱尺寸為2.5 m×3.5 m。

采用MIDAS/Civil軟件建立該橋的空間有限元模型(見圖1)，模型中的單元包括主梁、主塔、斜拉索、橋墩、承臺(tái)、樁基、支座等，同時(shí)利用彈簧單元模擬樁—土效應(yīng)。

2 橋梁模態(tài)分析

橋梁模態(tài)分析能夠有效的評(píng)價(jià)橋梁的動(dòng)態(tài)特性，是橋梁抗震性能分析的基礎(chǔ)。采用MIDAS/Civil 軟件進(jìn)行橋梁的模態(tài)分析，獲取了橋梁前10階模態(tài)的頻率值、周期和振型，其描述如表1所示，部分振型圖如圖2所示。

計(jì)算結(jié)果表明，該橋的1階頻率為0.745 3 Hz，振型主塔橫向彎曲；2階頻率為0.748 2 Hz，振型主塔橫向?qū)ΨQ彎曲；第1階和第2階振型為主塔橫向彎曲，符合塔梁固結(jié)斜拉橋的特征，對(duì)塔橫向地震反應(yīng)最大，在塔底產(chǎn)生很大的彎矩。

表1 前10階模態(tài)的頻率值、周期和振型

3 抗震性能分析

采用動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法對(duì)本橋的抗震性能進(jìn)行分析，本橋按照A類橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)該橋的橋址場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告確定的E1地震水平加速度時(shí)程和E2地震水平加速度時(shí)程。地震動(dòng)的激勵(lì)方式采用縱向+豎向和橫向+豎向兩種方式，每種地震水平分布采用3條地震波進(jìn)行時(shí)程分析，分析結(jié)果采用3條時(shí)程波的反應(yīng)最大值，地震加速度時(shí)程曲線如圖3所示。

對(duì)地震作用下的最不利截面進(jìn)行驗(yàn)算，本橋?yàn)樗⒘汗探Y(jié)體系，最不利截面位于塔梁固結(jié)處以及塔底位置。根據(jù)《公路橋梁抗震計(jì)算細(xì)則》規(guī)定截面的等效屈服曲率φv和等效屈服彎矩Mv可通過把實(shí)際的彎矩—曲率曲線等效為理想彈塑性彎矩—曲率曲線求得。本橋采用地震+恒載組合得到各控制截面的軸力，然后使用MIDAS/Civil軟件計(jì)算控制截面軸力對(duì)應(yīng)的初始屈服彎矩，從而進(jìn)行抗震性能驗(yàn)算。

3.1 E1地震作用

E1地震作用下，采用縱向+豎向組合激勵(lì)與橫向+豎向組合激勵(lì)。控制截面內(nèi)力見表2，表3。

表2 縱向+豎向組合截面內(nèi)力(一)

表3 橫向+豎向組合截面內(nèi)力(一)

由表2，表3可見，在E1地震作用下主塔各控制截面均滿足抗震要求。

3.2 E2地震作用

E2地震作用下，同樣采用縱向+豎向組合激勵(lì)與橫向+豎向組合激勵(lì)。控制截面內(nèi)力見表4，表5。

表4 縱向+豎向組合截面內(nèi)力(二)

表5 橫向+豎向組合截面內(nèi)力(二)

由表4，表5可見，在E2地震作用下主塔各控制截面均滿足抗震要求。

4 結(jié)語

本文以某塔、梁固結(jié)獨(dú)塔斜拉橋?yàn)槔⒘丝臻g有限元模型，分析其動(dòng)力特性，并通過動(dòng)態(tài)時(shí)程分析方法計(jì)算了該橋在E1和E2地震作用下主塔結(jié)構(gòu)控制截面的抗震性能，得出以下結(jié)論：

1)塔梁固結(jié)獨(dú)塔斜拉橋的1階頻率0.745 3 Hz，振型為主塔的橫向側(cè)彎，主塔的地震反應(yīng)具有控制作用，該斜拉橋整體結(jié)構(gòu)剛度較大。

2)數(shù)值計(jì)算表明，在E1和E2地震作用下主塔控制截面的抗震性能滿足要求。

[1] JTG/TB 02—01—2008，公路橋梁抗震計(jì)算細(xì)則[S].

[2] CJJ 166—2011，城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 范立儲(chǔ).橋梁抗震[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1997.

[4] 趙 爽.獨(dú)塔斜拉橋抗震性能分析[J].四川建筑，2015(4)：133-136.

[5] 何新平.部分斜拉橋設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].山西交通科技，2003(5)：45-48.

[6] 費(fèi) 文.某單索面斜拉橋承載能力評(píng)定[J].山西交通科技，2014(5)：63-65.

Seismic analysis of cable-stayed bridge with tower beam consolidation

Zhao Zipeng

(ShanxiTransportationResearchInstitute，Taiyuan030006，China)

Taking a typical cable-stayed bridge with tower beam consolidation as studying object， establish 3-D finite element model and analysis its natural vibration， the seismic performance of the main tower with different combinations of portrait+vertical and orientation+vertical is analyzed when the cable-stayed bridge with single tower is on the level of different earthquake, so as to provide some reference for the seismic design of the single tower cable-stayed bridge.

single tower cable-stayed bridge， seismic performance, model analysis， dynamic time analysis

1009-6825(2016)16-0198-03

2016-03-24

趙子鵬(1989- )，男，碩士，助理工程師

U441.3

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