柔性铰及塔梁纵向约束形式对多塔斜拉桥地震反应的影响

柔性铰及塔梁纵向约束形式对多塔斜拉桥地震反应的影响

0加工方法对多塔斜拉桥结构的影响在海上建设项目的系统中，多塔斜塔桥系统具有布置方式，可以满足大型水域的连续通道。因此,多塔斜拉桥体系越来越受到建设者们的青睐。多塔斜拉桥和常规斜拉桥相比,其主要构件索、塔、梁受活载效应和温度效应的影响均显著增大。采用合理的结构体系提高结构刚度并且减少温度效应,成为多塔斜拉桥结构设计的关键。为此,国内外学者开展了大量的研究工作,主要包括:(1)明确了针对体系刚度不足所可能采用的各种加劲措施,包括改善桥跨布置方式、边跨设置辅助墩、采用刚性塔、设置塔间加劲索、桥塔处主梁采用双支点、增大主梁和斜拉索刚度等,这些措施在国内外多塔斜拉桥实际工程中得到应用;(2)多塔斜拉桥的典型特征是塔多联长,温度效应对梁、塔、索的影响较大。为此,法国米约高架桥、希腊里翁-安蒂里翁大桥以及我国嘉绍大桥分别采用了边塔塔梁固结、较大规模的索塔形式、主梁跨中设置刚性铰3种较为典型的处理方法。然而,目前针对多塔斜拉桥动力性能的研究相对较少。倪一清、李惠等针对香港汀九桥、滨洲黄河大桥等多塔斜拉桥体系,研究了多塔斜拉桥的动力特性及其抗震性能,并讨论了黏滞阻尼消能装置对多塔斜拉桥地震反应的影响。方圆、李建中等以一座大跨5塔斜拉桥为工程背景,研究了该多塔斜拉桥的动力特性,并分析了行波效应对大跨多塔斜拉桥地震反应的影响。Su针对香港汀九桥计算了强风作用下的抖振响应,讨论了多塔斜拉桥结构抖振响应特点。需要指出,设置刚性铰和塔梁纵向约束是降低多塔斜拉桥结构温度效应的重要措施,这些措施对多塔斜拉桥抗震和抗风性能的影响尚缺乏足够认识。为此,本文以嘉绍大桥6塔斜拉桥为对象建立三维有限元模型,计算6塔斜拉桥动力特性以及结构关键位置的地震反应,在此基础上重点分析刚性铰设置和塔梁纵向约束形式等结构体系对多塔斜拉桥动力特性以及地震反应的影响特点和影响程度,为研究多塔斜拉桥抗震适宜结构体系提供基础。1嘉兴-绍兴大桥的有限分析模型1.1主梁和连塔塔梁的加劲设置浙江嘉兴-绍兴大桥为6塔、独柱、4索面、分幅钢箱梁斜拉桥,全桥10.137km。主桥总宽度55.6m,结构形式为3塔1联+3塔1联,联与联之间设置抽屉型刚性铰,跨径布置为70m+200m+5×428m+200m+70m。为解决嘉绍大桥竖向刚度过低和长主梁温度变形较大等难题,设计时采用了4种加劲方式和构造措施:(1)索塔两侧主梁设置纵向双排支座;(2)边跨设置一个辅助墩;(3)主梁跨中处设置抽屉形刚性铰;(4)次边塔处设置塔梁纵向刚性约束。其中,刚性铰和次边塔处塔梁纵向刚性约束是本桥解决多塔斜拉桥温度效应问题的2个主要措施。设计中刚性铰满足正常运营下的承载能力要求,约束主梁两端的竖向、横向相对位移及相对转动,同时释放跨中两侧主梁的纵向相对位移。1.2集中质量模型采用ANSYS有限元软件建立嘉绍大桥的有限元分析模型,如图1所示。主梁、主塔和桥墩均采用Timoshenko梁单元模拟。主梁采用双主梁模型以考虑主梁转动惯量对扭转振型的影响。桥面铺装、防撞栏以及主梁压重等模拟为集中质量。拉索采用空间桁架单元模拟,考虑拉索垂度效应,采用Ernst公式修正拉索的弹性模量。主塔、拉索和桥墩考虑恒载引起的轴力对几何刚度的影响。桩土效应采用J.Penzien质量-弹簧模型来模拟。在主梁跨中,以左右2联主梁梁端节点的主从约束模拟刚性铰,即刚性铰处的梁端2个节点在竖向和横向主从约束,纵向约束释放。主梁与过渡墩、辅助墩纵向相对自由,横向主从约束。主梁与各主塔在横向主从约束,次边塔(塔2和塔5)与主梁纵向固结,其余塔与主梁纵向约束释放。2嘉绍桥地震反应分析2.1次边塔内设置纵向约束本文采用分块Lanczos法计算嘉绍大桥有限元模型的自振特性,表1为结构的主要振型特征。从表中可以看出:(1)由于在次边塔处设置塔梁纵向约束,嘉绍大桥模型没有出现纵飘振型;(2)主塔1阶侧弯振型出现在整体振型的第3阶,说明主塔横向刚度较小;(3)主梁的1阶侧弯频率大于1阶竖弯频率,说明主梁的面外刚度大于面内刚度;(4)主梁的1阶扭转振型出现在第43阶,说明嘉绍大桥的主梁抗扭刚度较高,有利于提高结构抗风性能。2.2地震波时程分析据嘉绍大桥桥址的地震危险性分析,桥址100a超越概率3%的基岩地震动水平向峰值加速度取为0.1392g。本文从太平洋地震中心下载了3条合适的地震波,加速度峰值均调至0.1392g。图2(a)为所选的3条地震波时程曲线,图2(b)为3条地震波所对应的加速度反应谱以及设计加速度反应谱。考虑到斜拉桥以顺桥向地震反应为主要控制指标,本文选取桥塔的顺桥向位移和内力以及主梁顺桥向位移作为结构抗震分析对象。地震波输入方式为纵向+竖向,竖向地震动取为纵向地震动的2/3。计算结果取3条地震波时程分析结果的最大值。图3给出了桥塔沿高度方向的顺桥向位移幅值和内力幅值分布图,其中塔高的零点为箱梁底部。可以看出:(1)桥塔的顺桥向位移最大值均发生在塔顶。次边塔(塔2和塔5)由于塔梁纵向约束,塔中部位移增大明显,塔顶位移则无影响。整体来看,次边塔的位移幅值分布呈剪切形,其他4塔呈弯曲形。(2)桥塔的剪力和弯矩幅值沿塔高呈R形分布,次边塔的剪力幅值从塔底至塔高50m处均大于其余各塔,弯矩幅值则自塔底约至塔梁结合处都大于其他各塔;边塔(塔1和塔6)和中塔(塔3和塔4)的内力分布基本一致。图4进一步给出了各桥塔塔底内力图。边塔和中塔的塔底内力幅值基本相等(剪力相差不超过5%,弯矩相差不超过9%),次边塔塔底内力明显大于其他塔,剪力幅值是其他塔的3.1~3.4倍,弯矩幅值是其他塔的3.7~3.8倍,这说明塔梁纵向约束极大地增加了次边塔的内力。图5给出了主梁顺桥向位移幅值和塔(墩)梁结合处的相对位移幅值。可以看出:(1)由于次边塔塔梁主从约束,此处主梁顺桥向位移幅值较小,离次边塔越远位移幅值越大,以刚性铰为界呈V字形;(2)刚性铰将结构分成2联,同时释放了主梁顺桥向平移自由度,故两联顺桥向位移幅值在刚性铰处存在明显的位移差;(3)塔梁相对位移幅值在次边塔处为0,在其他4塔处均较为接近(约0.12~0.14m),墩梁相对位移幅值则均较小(约0.05m)。根据上述分析结果,在下节讨论中以桥塔塔底剪力和弯矩作为地震受力分析的关键指标,以桥塔塔顶和塔(墩)梁结合处相对位移作为结构位移分析的关键指标。3结构体系特征对抗强能力的影响分析3.1主梁1阶对称侧弯振型形状首先研究刚性铰的设置对多塔斜拉桥动力特性的影响。对比分析有无刚性铰模型的动力特性可知:(1)刚性铰设置对主梁1阶对称侧弯振型频率的影响较大。振型频率由0.7087Hz(有刚性铰模型)提高到0.861Hz(无刚性铰模型),增幅21.50%,表明刚性铰的设置减少了主梁的侧向刚度。图6(a)进一步给出了振型对比图。可以看出,刚性铰的设置对主梁1阶对称侧弯振型形状的影响很小;(2)无刚性铰模型主梁的1阶扭转振型频率为1.1386Hz,相比有刚性铰模型的扭转频率1.1361Hz,频率增幅较小为0.22%,但振型形状变化较大。如图6(b)所示,设置刚性铰时主梁1阶扭转主要是中间1跨发生扭转,不设刚性铰的主梁1阶扭转是中间3跨同时发生扭转。其次研究刚性铰的设置对多塔斜拉桥地震反应的影响,令基准模型为有刚性铰的模型。图7给出了基准模型和无刚性铰模型的基底剪力和弯矩幅值分布。可以看出,刚性铰的设置对基底顺桥向剪力幅值和弯矩幅值的影响很小,设置刚性铰后基底剪力和弯矩幅值会略有提高,但增幅不超过3%。图8给出了塔顶位移和塔(墩)梁相对位移幅值图。可以看出,刚性铰的设置对塔顶顺桥向位移幅值影响较小(变化幅度在-5%~8%)。此外,刚性铰的设置对塔(墩)梁相对位移影响很小(变化幅度在-5%~6%之间)。3.2纵向约束结构首先研究塔梁纵向约束形式对多塔斜拉桥动力特性的影响。嘉绍大桥次边塔(塔2和塔5)与主梁纵向固结,这种部分约束体系限制了主梁由温度产生的变形,改善了刚性铰的受力状况。为了分析塔梁不同纵向约束方式对多塔斜拉桥动力特性的影响,在基准模型(部分约束体系)的基础上建立了2个对比模型:对比模型1为塔梁纵向全部主从约束即全固结体系;对比模型2为无塔梁纵向约束即全漂浮体系。对比不同纵向约束形式的桥梁结构动力特性可知:(1)纵飘振型仅出现在全漂浮体系,由于塔梁间的约束,全固结体系和部分约束体系中则没有出现纵飘振型。(2)塔梁纵向约束对主梁竖弯振型影响较大。全固结体系、部分约束体系和全漂浮体系的1阶对称竖弯振型频率分别为0.2376,0.2299Hz和0.1704Hz。这说明纵向约束越强,主梁竖弯振型频率越高。进一步对比振型形状可知:全固结体系和部分约束体系的主梁竖弯振型形状基本相同,但是部分约束体系和全漂浮体系的主梁竖弯振型形状变化很大(如图9(a)和图9(b)所示)。(3)塔梁纵向约束对主梁侧弯振型影响较大。全固结体系、部分约束体系和全漂浮体系的1阶对称侧弯振型频率分别为0.8598,0.7087Hz和0.7071Hz,这说明纵向约束越强,主梁侧弯振型频率越高。进一步对比振型形状可知:全固结体系和部分约束体系的主梁1阶对称侧弯振型和1阶反对称侧弯振型形状基本相同;部分约束体系和全漂浮体系的主梁1阶对称侧弯振型形状基本相同,但是主梁1阶反对称侧弯振型形状在两边跨变化很大,如图9(c)和图9(d)所示。(4)全固结体系、部分约束体系和全漂浮体系的主梁扭转振型和主塔侧弯振型的频率和振型形状均基本一致,这表明塔梁纵向约束形式对主梁扭转振型和主塔侧弯振型的影响很小。其次研究塔梁纵向约束形式对多塔斜拉桥地震反应的影响。图10为基底剪力和弯矩幅值分布图。可以看出:(1)塔梁不同纵向约束形式下各辅助墩和过渡墩的反力相差很小(变化幅度小于6%)。(2)塔梁不同纵向约束形式下塔底顺桥向的剪力幅值相差较大。对于次边塔来说,部分约束体系和全固结体系的剪力幅值分别是全漂浮体系的4倍和1倍左右;对于边塔和中塔来说,全固结体系的剪力幅值是部分约束体系和全漂浮体系的1倍左右,并且部分约束体系和全漂浮体系基本接近。(3)塔梁不同纵向约束形式下塔底顺桥向的弯矩幅值相差较大。对于次边塔来说,部分约束体系的弯矩幅值是全固结体系和全漂浮体系的1倍左右,全固结体系和全漂浮体系则基本接近;对于边塔和中塔来说,全固结体系和全漂浮体系基本接近,并且是部分约束体系的1倍左右。图11为塔顶位移幅值分布图,从中可以看出:(1)全固结体系与部分约束体系的塔顶位移基本接近,全飘浮体系下塔顶位移远大于部分约束体系和全固结体系4倍左右;(2)全固结体系下塔梁顺桥向相对位移幅值为0,部分约束体系下塔梁顺桥向相对位移也较小,然而,全飘浮体系下塔梁顺桥向相对位移幅值很大,比部分约束体系亦大4倍左右。4纵向约束加工对多塔斜拉桥地震反应的影响本文以嘉绍大桥6塔斜拉桥为工程背景,详细讨论了结构体系(刚性铰设置以及塔梁纵向约束形式)对多塔斜拉桥动力特性及其地震反应的影响特点和影响程度。分析结果表明:(1)刚性铰的设置对多塔斜拉桥主梁的1阶对称侧弯振型和1阶对称扭转振型影响较大,而对主梁竖弯等其他振型影响很小。同时,刚性铰的设置对于多塔斜拉桥地震反应影响很小。这表明,设置刚性铰在改善多塔斜拉桥体系温度效应的同时,不会对多塔斜拉桥结构抗震性能造成不利影响。(2)塔梁纵