斜拉桥抗震计算部分.docx

1. 动力特性分析对大跨度桥梁进行地震反应分析之前，需要先了解其动力特性，即进行特征值分析。特别是基于振型分解的动力反应分析方法，通过特征值分析选取贡献最大的主要振型，无疑可以大大减小计算量而计算结果精度仍满足工程需要。首先将结构的自重、二期恒载（桥面铺装）和附属设施荷载转化为质量，采用集中质量模型 —— 将质量人为集中到选定的结点上。此时质量矩阵是一个对角矩阵。如果单元质量分布不均匀可以考虑不均匀的将质量集中在节点上。这种方法对于空间杆系结构的计算结果较好的，因为它比较合服空间杆系结构的计算假定，即荷载均作用在节点之上；同时，若结构在某些地方存在集中质量（重型设备等），这种方式也是比较合理的。本斜拉桥所采用的动力模型就是一个简化的空间杆系结构。表1.特征值表格运用里兹向量法求出的是与三个平动地震动输入直接相关的振型。本例X平动、Y平动、Z平动三个方向都取30阶振型，特征值分析结果（见表1）显示三个方向的振型参与质量分布是，满足规范上振型参与质量达到90%以上的要求。前20阶振型中在三个平动方向的任一方向上的振型参与质量达到2%以上的振型模态如下图1-(1)~1-(8)所示。本组所设计的大跨度漂浮体系斜拉桥的第一振型为纵飘振型，周期长达14.62s，第二振型为，周期仍然很长为12.40s，第三振型的周期就快速下降到了4.92s。控制地震反应的主要振型特征表现为主梁纵飘、桥塔侧弯、对称与反对称竖弯以及对称与反对称侧弯。第1阶振型：T=14.65s，纵飘（2）第2阶振型：T=12.40s，对称侧弯（3）第3阶振型：T=4.92s，反对称侧弯（4）第4阶振型：T=3.34s，左塔侧弯（5）第5阶振型：T=3.30s，右塔侧弯（6）第6阶振型：T=3.13s，对称侧弯（7）第11阶振型：T=2.73s，对称竖弯（8）第14阶振型：T=2.19s，反对称竖弯图1. 振型模态2. 反应谱分析进行大跨度桥梁的地震反应分析时，一般先进行反应谱分析，并最后要同时程分析的结果校合。本例中用反应谱法分别计算《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01-2008）规定的两种概率水准的地震作用E1和E2下的桥梁动力响应。考虑纵桥向输入和横桥向输入，不考虑竖向地震动的影响。为了保证计算的精度，将特征值分析中得到的前90阶振型全部选中，采用CQC法进行振型组合。2.1 设计反应谱的确定《公路桥梁抗震设计细则》里规范的设计反应谱的相关规定截图如下。图2.此大跨斜拉桥的桥梁类型定为A，场地为Ⅱ类，区划图特征周期取0.35s,设防烈度为7度（PGA为0.1g）。有研究表明，大跨度桥梁的阻尼比通常比普通桥梁小，一般在0.5%~3%。随着大跨径斜拉桥发展，基于5%阻尼比的反应谱不能满足要求。国内7座斜拉桥（钢桥1座，组合梁桥3座，混凝土桥3座）实测阻尼比在0.5%~1.5%之间。虎门大桥和江阴大桥两座悬索桥的阻尼比也是在0.5%~1.5%之间。因此在本次抗震分析中给定阻尼比定为0.03，将其赋予基本频率和第6阶频率所对应的振型，其他频率对应的阻尼比依照求出的参数按比例阻尼计算。图5-(1)和5-(2)分别是依据规范，并按照所确定的结构和场地条件确定的E1、E2设计反应谱。（1）E1谱（2）E2谱图3. 设计地震反应谱2.2 地震波纵向输入计算结果在纵向地震波作用下，桥梁主要表现为主梁的竖向振动和桥塔的纵向弯曲振动，横向振动效应几乎为0，纵向振动和横向振动基本不耦合。主塔和辅助墩的最大弯矩、轴力和剪力发生在塔底。表2和表3 分别给出了地震波纵向输入下一些主要控制点的最大节点位移和危险单元截面的最大内力值。可见，可在辅助墩或主塔横梁上增加纵向约束，一方面可减小主梁纵飘位移，二可减少主梁通过斜拉索传递到主塔上端的地震力而降低塔底弯矩值。表2.主要截面内力不同概率水平地震动主塔塔底（纵向）辅助墩墩底（纵向）主梁最大竖向弯矩（kN·m）弯矩（kN·m）轴力（kN）剪力（kN）弯矩（kN·m）轴力（kN）剪力（kN）E12.947×105195052571.680×104149511303.903×104E25.010×105331689382.857×104254119216.636×104表3.主要控制节点位移不同概率水平地震动主塔塔顶纵向位移（cm）主梁最大竖向位移（cm）梁端纵向位移（cm）辅助墩顶最大纵向位移（cm）E140.57.937.70.3E268.813.564.10.52.3 地震波横向输入计算结果在横向地震动下，桥梁主要表现为主梁和主塔的横向弯曲振动，除主梁梁端外其它节点处的纵向和竖向位移较小。主梁的最大横向弯矩发生在跨中，最大横向扰度也发生在跨中；主塔的最大弯矩、剪力和轴力发生在塔底。表4.主要截面内力不同概率水平地震动主塔塔底（横向）辅助墩墩底