大跨度斜拉桥地震反应特性及行波效应影响分析

大跨度斜拉桥地震反应特性及行波效应影响分析

1行波效应对斜拉桥抗震设计的影响根据文献，倾斜桥的结构是一种大而长的倾斜桥，尤其是对于大而多通道的倾斜桥，可以忽略地震波的空间变化。国内外学者对考虑行波效应的斜拉桥进行的研究结果表明,三塔斜拉桥抗震设计时应考虑行波效应对桥塔的不利影响;在对大跨度斜拉桥进行抗震性能分析时,也需要考虑行波效应的影响。但是以上研究的斜拉桥跨径都在1100m以下,大多是针对典型的不含辅助墩或辅助墩数很少的两塔或三塔斜拉桥结构,也没有针对频谱特性不同的地震波激励下的大跨度斜拉桥进行行波效应分析。本文结合一座大跨度斜拉桥设计实例,依据D′Alembert原理,并参照有关文献,采用有限元理论和动态时程分析方法分析了行波效应对大跨度斜拉桥结构地震反应的影响,并对该桥的地震反应特性进行了研究。2预应力钢筋混凝土箱梁边界层施工某大跨度斜拉桥跨径布置为5×60m+70m+1200m+70m+5×60m,采用钻石形桥塔,塔高289m,斜拉索为双索面扇形布置(图1)。主跨主梁采用扁平钢箱梁,其余主梁采用预应力钢筋混凝土箱梁,主梁高均为4m。主跨两侧各设6个辅助墩,辅助墩墩身高57m。该桥技术标准为:①公路等级为高速公路;②设计车速为100km/h;③双向6车道(远期可维持8车道);④行车道宽度为2×4×3.75m;⑤最大纵坡≤3%;⑥桥面横坡为2%;⑦设计荷载为公路-Ⅰ级;⑧通航净空1114m×60m;⑨抗震设防标准,E1概率100年10%、E2概率100年4%;⑩设计洪水频率1/300。3土箱梁、桥墩、桥塔结构采用空间有限元法建立斜拉桥结构计算模型,其中主梁钢箱梁、混凝土箱梁、桥墩以及桥塔结构均采用空间三维梁单元模拟,斜拉索采用空间三维索单元模拟。桥墩墩底与地面固结。抗震支座设置在墩顶与主梁底连接处。行波沿顺桥向进行传播。斜拉桥动力计算模型见图2。4调整并进行地震波加速度由于桥梁结构所受到的地震动具有随机性,根据不同的地震动参数(加速度峰值、震级、特征周期等参数)选取2条地震波,见表1,由于地震动加速度峰值的大小对结构地震反应的影响较大,为便于讨论不同地震波的频谱特性对桥梁结构位移和内力的影响,需将不同地震波的加速度峰值都调整到0.40g,调整后的地震波加速度见图3,地震波沿顺桥向方向输入。地震动行进波速从800m/s开始,由于该桥左、右两端的桥墩相距1940m,为了较全面地分析行波效应对该桥的影响,根据有关文献的取值方法,最高视波速取3000m/s,并依次取800,2000,3000m/s等多条地震动行进波速以及一致激励进行分析。假设地震波从左到右方向传播。5桥塔地震波分析取中跨跨中、桥塔顶、梁端以及塔梁连接处等位置作为地震反应分析关键部位,分别输入2条地震波,分析桥塔横桥向和顺桥向位移、桥塔顺桥向剪力以及主梁顺桥向轴力。5.1单墩底剪力比值2条地震波激励下与一致激励下的墩底剪力比值见图4。由图4可以看出,在El-Centro地震波激励下,随着视波速的增大,3号墩底剪力比值从1.439单调递减变化为0.983,12号墩底剪力比值从0.682单调递增至0.986,其余各墩墩底剪力比值趋近于1。在SanFernando地震波激励下,随着视波速的增大,3号墩底剪力比值从1.425单调递减至0.981,12号墩底剪力比值从0.714单调递增至0.987,其余各墩底剪力比值趋近于1;各墩底剪力比值在2条地震波激励下有差别,但总体趋势都趋近于一致激励。5.2不同视波速输入下的地震反应图5是2条地震波下与一致激励下的桥塔底弯矩比值,由图5可知,即使在地震波加速度峰值(0.40g)相同的情况下,由于2条波之间频谱特性的不同,不同视波速输入下结构的地震反应存在一定的差异。桥塔在2条地震波激励下,随着视波速的增大,行波效应对结构地震反应影响的差异性呈减小趋势,其比值趋近于1。5.3视波速对桥塔顺桥向剪力的影响图6为桥塔顺桥向剪力(图中括号内字母E和字母S分别代表El-Centro和SanFernando地震波,下同)。由图6可知,在塔高0～209.7m范围内,视波速为800m/s时,桥塔顺桥向剪力最大反应值最小;视波速为800～3000m/s时,随着视波速的增大,桥塔顺桥向剪力最大反应值增大;在塔高209.7～289m范围内,桥塔顺桥向剪力最大反应值在视波速不同时其值变化并不明显;因桥塔受到斜拉索拉力的影响,桥塔顺桥向剪力随视波速变化并不明显;各视波速条件下的桥塔顺桥向剪力值与一致激励下的剪力值相比,趋势一致。5.4条地震波激励下主梁顺桥向轴力最大反应值图7为2条地震波激励下的主梁顺桥向轴力。由图7可知,在视波速为800m/s时,2条地震波激励下的主梁顺桥向轴力最大;在视波速为800～3000m/s时,随着视波速的增大,2条地震波激励下的主梁顺桥向轴力最大反应值总体呈减小趋势;在一致激励条件下,2条地震波激励下的主梁顺桥向轴力最大反应值整体比考虑行波效应时都要小;随着视波速的增大,2条地震波激励下的主梁顺桥向轴力最大反应变化值比边跨主梁轴力最大反应变化值大。5.5条地震波激励下桥塔位移特征2条地震波激励下的桥塔塔顶顺桥向位移时程见图8。由图8可知,在地震波类型相同但视波速不同的情况下,当视波速为800m/s时,位移幅值最大;一致激励情况下,位移幅值最小;3种情况下桥塔塔顶顺桥向位移达到最大值的时间不同。与一致激励情况相比较,行波效应会使桥塔塔顶顺桥向位移达到峰值的时间出现滞后。斜拉桥在2条地震波激励下的桥塔塔顶顺桥向位移时程具有相同的性质(峰值滞后)。2条地震波激励下的桥塔位移包络图见图9。由图9可知,在2条地震波激励下,随着视波速的增大,同一高度处桥塔的横桥向及顺桥向位移均呈减小趋势,并趋于一致激励。总体上来说,当视波速相同时,同一塔高处,在El-Centro波激励下的横桥向和顺桥向地震反应值比SanFernando波激励下的地震反应值要小。随着桥塔高度的增加,2条地震波在不同视波速条件下,桥塔的横桥向及顺桥向位移值增大。5.6顺桥向位移对比斜拉桥关键部位的地震反应位移峰值见表2。由表2可知:①随着视波速的增大,各关键部位的横桥向位移和顺桥向位移逐渐减小,且呈现的不是线性变化。②一致激励时,各关键部位的横桥向位移和顺桥向位移最小。③当输入的地震波波速相同时,SanFernando波激励下的横桥向位移比El-Centro波激励下的横桥向位移约大7%,SanFernando波激励下的顺桥向位移比El-Centro波激励下的顺桥向位移约大20%;右塔顶、右塔与右梁连接处的横桥向位移分别要比左塔相应位置的横桥向位移大8%～9%;右塔顶、右塔与右梁连接处、右梁端的顺桥向位移分别要比左塔相应位置的顺桥向位移大8%～9%;右梁端的横桥向位移要比左梁端的横桥向位移约大1.3%;右梁端的顺桥向位移要比左梁端的顺桥向位移约大1.4%。6桥塔顺桥与塔高关系(1)在不同视波速的2条地震波输入条件下,与一致激励地震相比,行波效应对该桥塔顺桥向位移和主梁顺桥向轴力地震反应有显著影响,且随着视波速的增大趋近于一致激励地震反应;行波效应对桥墩底顺桥向剪力和桥塔顺桥向剪力有较大影响,整体趋势为随着地震波的传播速度增大而趋近于一致激励地震反应。(2)行波效应对桥塔顶顺桥向位移时程有较大影响,在一致激励情况下,其最大地震反应幅度最小;塔顶位移达到最大值对应的时间不同,考虑行波效应后,对比于一致激励情况下,桥塔塔顶位移达到最大值的时间出现滞后现象。(3)对该桥输入2条不同频谱特性地震波,即使在地震波加速度峰值相同的情况下,由于各条波之间频谱特性的不同,不同视波速输入条件下的桥梁结构地震反应存在明显差异;与一致激励地震相比,其行波效应对该桥地震反应影响变化趋势基本一致且趋近于一致激励地震反应。(4)在塔高0～209.7m范围内,视波速为800,2000,3000m/s时,随着视波速的增大,桥塔顺桥向剪力最大反应值增大。一致激励时,桥塔顺桥向剪力最大反