超大跨度部分地锚式斜拉桥地震反应分析

超大跨度部分地锚式斜拉桥地震反应分析

近年来，国内外科学家对一些倾斜的地下通道桥结构进行了研究。主要领域图三维三维建模采用采用地盾斜桥大倾角结构的地震反应分析地震输入设计方案桥为桥塔和主梁的地震反应场基于结合结构地震反应包络图和表1的结构地震反应峰值进行综合分析,超大跨度部分地锚式斜拉桥的地震反应具有以下特点:1)纵向地震作用下,桥塔顺桥向振动,主梁则表现为顺桥向和竖向耦合振动。桥塔塔顶处的纵向位移最大,并在塔底截面产生最大纵桥向弯矩、剪力和轴力;主梁沿桥轴向的纵向位移基本一致,并在中跨跨中附近产生最大竖向位移。主梁的最大竖向弯矩和剪力均出现在边跨辅助墩处,其次为中跨跨中处。与主梁相比,纵向地震作用下桥塔受力更加显著,并应特别重视塔底截面的抗震设计。2)横向地震作用下,桥塔和主梁同时产生横桥向振动。桥塔最大位移发生在桥塔上横梁附近,最大横向弯矩出现在塔梁连接处,最大横向剪力和轴力则出现在塔底。主梁最大横向位移出现在中跨跨中;最大横向弯矩发生在塔梁连接处,中跨跨中横向弯矩次之;最大横向剪力发生在边跨辅助墩附近,塔梁连接处次之。与纵向地震作用相比,桥塔和主梁的横向地震反应更为显著,横向地震作用对结构受力更为不利,同时应特别重视塔梁交接处桥塔塔柱和主梁截面的抗震设计。3)竖向地震作用下,桥塔和主梁的振动形式与纵向地震作用基本相同。桥塔最大纵向位移出现在塔顶处,最大纵向弯矩、剪力和轴力都出现在塔底;主梁最大竖向位移出现在中跨跨中;最大竖向弯矩出现在辅助墩附近,中跨跨中次之;最大剪力也出现在辅助墩附近,最大轴力则出现在跨中。4)纵向和横向地震作用下结构的地震反应均显著大于竖向地震作用,因此应重视水平地震作用下超大跨度部分地锚式斜拉桥的抗震性能。同时,在纵向、横向和竖向地震综合作用下,桥塔的塔底和塔梁交接处、主梁的塔梁交接处和边跨辅助墩处的地震反应均非常大,应特别重视这些截面的抗震设计。4主要结构设计参数的确定为探明大跨度部分地锚式斜拉桥适宜的抗震结构体系,以上述设计方案桥为原型,通过改变地锚段主梁长度、主梁宽度、主梁高度、主塔高跨比、斜拉索的倾斜角度、辅助墩的数量和塔梁的连接方式等主要结构设计参数建立对比方案桥,通过地震反应的分析和比较提出关键的设计参数及其合理取值。规范指出:若同时考虑顺桥向、横桥向和竖向地震作用时,可分别单独计算各方向地震作用产生的最大效应,总的最大地震作用效应取为各方向最大地震效应平方和的平方根4.1主跨长度对比分析地锚段主梁指的是部分地锚式斜拉桥中与地锚索所对应的中跨主梁段,该主梁段长度变化会影响整个桥梁的刚度,是该体系斜拉桥的一个重要结构设计参数。斜拉桥地锚段主梁长度取决于地锚索数量占所有斜拉索数量的比重,以上述部分地锚式斜拉桥方案桥为原型,保持主跨长度不变,通过调整地锚索数量来改变地锚段主梁长度,同时对边跨长度进行相应的调整,且均不设置边跨辅助墩以求消除辅助墩数量和位置改变对结构抗震性能影响。通过主跨为1400m的部分地锚式斜拉桥静力性能研究发现,当地锚段长度在400m附近时其整体刚度表现良好,因此分别取地锚段主梁长度为272,400,528m等进行对比分析,相应的地锚段主梁长度与主跨长度比值为0.19～0.38,不同地锚段主梁长度的对比方案桥情况见表2,地锚段主梁长度对结构地震反应的影响见表3。由表3可知:地锚段主梁长度的改变对桥塔的纵向地震反应和主梁的竖向地震反应影响比较显著,而对其横向地震反应影响很小。随着地锚段主梁长度增大,主塔在地震作用下纵向位移明显增大,同时牵引着主梁产生较大的纵向位移,而且随着地锚索竖向支承刚度的增强,主梁的竖向位移则明显减小;桥塔的纵向弯矩有所增加,主梁的竖向弯矩和剪力及轴力则明显增大。因此,从抗震性能角度而言,地锚段主梁长度不宜太大。结构静力特性和稳定性分析建议地锚段主梁长度的合理范围取为400～800m,尤以400～600m为优4.2主梁宽度变化对地震反应的影响桥面主梁宽度主要由设计交通量决定,但主梁宽度直接影响到主梁的侧向刚度,同时对风和地震等水平力作用下结构的受力性能和稳定性产生重要影响。考虑结构空气动力稳定性,《公路斜拉桥设计细则》规定桥宽与跨径之比不小于1/30,桥宽与梁高之比不小于8从表5可知:主梁宽度变化对结构横向地震反应影响显著,对竖向和纵向地震反应基本没有影响。同时,主梁宽度变化对桥塔地震反应影响很小,但主梁的地震反应影响显著。由表4可知:随着主梁宽度的增大,主梁的侧弯刚度明显增大,由于截面积不变致使主梁所受的地震惯性力没有变化,主梁的横向地震位移因而显著减小,但其横向弯矩和剪力却随之明显增大。因此,随着主梁宽度的增加,结构的横向抗震性能有所提高。结构的静力特性和稳定性研究也表明在相同材料用量前提下采用较宽主梁对结构较为有利4.3主梁和桥塔的地震反应主梁高度变化会直接影响主梁的竖向刚度以及主梁的面内受力性能。《公路斜拉桥设计细则》规定:双塔三跨斜拉桥钢主梁高度与主跨跨径比值宜为1/180～1/330由于主梁截面的侧向弯曲惯性矩和截面积保持不变,主梁的面外刚度和自重以及所受的地震惯性力均不变,因此主梁和桥塔的横桥向地震反应基本不随主梁高度的改变而变化。同时,桥塔的纵桥向地震反应受主梁高度的影响也非常小。主梁高度的改变主要影响主梁的纵桥向和竖向地震反应。随着主梁高度增大,如表6所示主梁的竖向刚度明显增强,主梁的竖向弯矩和竖向位移因而明显减小,但纵桥向位移有所增大。因此,增加主梁高度可以提高结构的抗震性能。结构静力特性和稳定性研究表明梁高改变对结构总体刚度影响较小,却对极限静侧风响应很不利,因此在保证局部刚度和整体抗风稳定性前提下宜采用较小梁高4.4桥塔地震反应桥塔高跨比指的是桥面以上桥塔高度与主跨跨径之比,主塔高度改变后直接改变了结构总体外形,对结构刚度、受力特性等有直接影响。《公路斜拉桥设计细则》规定:双塔斜拉桥桥塔高跨比宜为1/4～1/6从表8可以看出:桥塔高度对桥塔的纵横向地震反应以及主梁的纵向和竖向地震反应影响非常显著,但对主梁的横向地震反应影响较小。桥塔地震作用下的纵横向位移和纵向弯矩随着桥塔高跨比增大而明显增大,横向弯矩和纵向剪力随桥塔高跨比增大而减小,横向剪力在主塔高跨比为0.205时最小。主梁在地震作用下,除了横向剪力外所有内力都随桥塔高跨比的增加而增大,横向剪力在高跨比为0.187时最小,纵向位移随着桥塔高跨比增大而增大,竖向位移则随桥塔高跨比增大而减小。同时发现,桥塔和主梁的地震反应在桥塔高跨比超过0.205后呈现出跳跃式的显著增大趋势。总体上看,增加桥塔高度对部分地锚式斜拉桥的抗震性能不利,综合结构的静力性能和经济性,桥塔高跨比宜取0.2左右。4.5拉索倾角的影响地锚索倾角是指边锚索与水平面形成的夹角,它随着地锚位置的改变而变化。部分地锚斜拉桥中地锚拉索的受力特性、作用、锚固构造等均与悬索桥的边跨主缆类似,因此拉索倾角也参照悬索桥常用数值,变化范围取为21.4°～34.2°。《公路斜拉桥设计细则》规定:斜拉桥端锚索的水平倾角不宜小于22°从表9可以看出:地锚索倾角的改变对桥塔和主梁的地震反应影响不明显,是一个不敏感设计参数。总体上看,地锚索倾角的增大可以减小桥塔和主梁的纵向地震位移及其内力,对结构抗震性能有利。因此,在地形地质和经济性等条件允许的情况下,尽可能选择较大的地锚索倾角。4.6桥塔的静力分析辅助墩的主要作用表现为施工中加强结构的稳定性及增强成桥结构的刚度,但其数量受到边孔通航要求、施工期安全以及经济性等条件的约束。根据主跨为1400m部分地锚式斜拉桥的静力分析可知,当辅助墩超过2个时,再增加辅助墩对桥梁整体刚度影响不大在设计方案桥基础上再增设1个辅助墩时,桥塔的地震反应变化很小;主梁的横向和竖向位移都明显减小,主梁竖向和横向的弯矩和剪力也随之减小,结构整体抗震性能因而有所提高。反过来,若边跨不设辅助墩,桥塔的纵横向和主梁的竖横向地震反应都有所增大,结构抗震性能减弱。因此,边跨设置辅助墩可以增强结构的抗震性能,结合结构静力性能,边跨宜设置1～2个辅助墩。4.7漂浮体系的选择斜拉桥常见的塔梁连接方式有漂浮、半漂浮、固结、塔梁固结塔墩分离等4种,《公路斜拉桥设计细则》规定对于跨度较大、索距较密的斜拉桥宜选择漂浮体系或半漂浮体系从表12可以看出:塔梁连接方式的改变对结构的地震反应基本没有影响。从静力分析可知:斜拉桥采用半漂浮体系时塔梁结合处主梁的负弯矩很大,同时增加桥塔下塔柱和支承横梁的受力。因此,综合静力和抗震性能,部分地锚式斜拉桥宜采用全漂浮体系。5结构体系设计以1400m主跨的部分地锚式斜拉桥设计方案为背景,采用多振型地震反应谱分析方法,分析了地锚段