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1、异形独塔双层桥面斜拉桥动力特性及地震反应分析2010年第l0期铁道建筑RailwayEngineering文章编号:1003—1995(2010)10-0001—04异形独塔双层桥面斜拉桥动力特性及地震反应分析杨吉新,朱伟伟,丁兰,李晓亮(1.武汉理工大学交通学院,武汉430063;2.湖北省路路通公路设施工程有限公司,武汉430053)摘要:固有频率和振型是反映结构动力特性的主要模态参数,是评价桥梁动力性能的重要依据.结合深圳皇岗一香港落马洲独塔双层桥面斜拉桥的工程设计实例,采用大型有限元分析程序建立全桥结构有限元模型,对独塔斜拉桥结
2、构的一般动力特性进行了分析,并采用反应谱法对该桥进行了线性地震反应分析,讨论了在两种振型组合方法和三组振型数情况下独塔斜拉桥地震响应的最大值,为该桥的抗震,抗风分析提供参考.关键词:独塔斜拉桥动力特性有限元模型反应谱法地震反应中图分类号:U448.27;U441.3文献标识码:B随着斜拉桥跨径的不断增大,其结构刚度越来越柔,斜拉桥在动力荷载(如风,地震和车辆荷载等)作用下的动力分析和结构性能倍受工程界关注.而桥梁结构的动力特性包括自振频率,主振型及阻尼等¨,是结构本身固有的,反映桥梁的刚度指标.它对于正确地进行桥梁的抗震设计及维护有着重要
3、的意义.本文从动力特性的角度出发,对承担双层交通的深圳皇岗一香港落马洲异形独塔双索面斜拉桥进行了动力特性分析,为进一步分析结构的抗震性能和抗风性能打下了基础;同时采用反应谱法分析了结构的线性地震响应,讨论了在两种振型组合方法和三组振型数情况下独塔斜拉桥地震响应的最大值.1工程概况深圳皇岗一香港落马洲大桥为承担双层人行交通的异形独塔双索面斜拉桥,跨径组成为34.20m+133.65m+72.15m,桥面有效净宽16.5m.主梁底层采用全焊正交异性板桥面钢箱梁,梁高1.7m,顶板采用厚6mm的闭口肋,板厚12mm,底板采用厚6mm的闭口肋,板
4、厚10mm,在灌注压重混凝土处加厚至12mm;中层为正交异性板桥面钢板梁,顶板采用厚6mm的闭口肋,板厚为12mm,纵横梁均为I字梁;顶层为K形栓焊桁架,竖杆与各层之间采用栓接.边跨底层主梁两边灌注混凝土压重,使主跨,边跨竖向重量能收稿日期:2010-04—13;修回日期:2010—06—18作者简介:杨吉新(1964一),男,湖南省永州市人,教授,博士.大致平衡.索塔基础采用扩大基础,塔在梁底以上高72m,梁底以下18m,下塔柱向主跨倾斜9.8..两塔柱上下设两道横梁,其下横梁与底层钢梁固结.边跨与主跨索均设13对斜拉索,边跨索距4m,
5、中跨索距8m,索梁节点采用钢锚箱结构.设计最大阵风风速62.3m/s(离地面10m),地震基本烈度7度.该桥布置见图1.本桥的结构具有如下特点;①独塔双索面斜拉桥,主边跨度相差悬殊;②由于双层荷载,活载和二期恒载大于一般的桥梁;③斜拉桥主梁采用不设斜杆的钢框架结构;④塔梁固结,下塔柱向主跨倾斜.该桥由于其独特的结构形式.故需要对其动力特性及抗震性能进行分析.2有限元计算模型2.1动力特性分析基本方程Fleming,Egeseli和Nazmy,Abdel—Chaffar对斜拉桥做过大量的线性和非线性动力分析,认为用线性理论分析得到的结果是可
6、以接受的.多自由度结构的线性动力有限元控制方程为M+C+Kx:0(1)式中,,c,分别为结构的总质量矩阵,总阻尼矩阵,总刚度矩阵;,,分别为结构加速度向量,速度向量,位移向量.忽略结构阻尼的影响时,桥梁自由振动的特征方程为2铁道建筑240000133650图1桥梁立面布置(单位:iTln1)}K～(【)Ml=0(2)式中,∞为桥梁系统各阶固有频率,对应着各阶固有振型.2.2空间有限元建模原则为了准确地求解该桥动力特性,建立结构的空间三维模型,对实际结构进行模拟.计算模式的模拟着重于结构的刚度,质量和边界条件的模拟,而且应当尽可能地与实际结
7、构相符.结构的刚度模拟主要指杆件的轴向刚度,弯曲刚度,剪切刚度和扭转刚度,对于一些更复杂的情况,有时也包括翘曲刚度的模拟以及杆件之间的相互刚度,如伸缩装置的模拟等.结构的质量模拟,主要指杆件的平动质量和转动惯量的模拟.边界条件模拟应和结构的支承条件相符.2.2.1桥梁构造的模拟该模型塔柱,墩,承台和主梁边立柱,顶层弦杆均采用空间梁单元模拟,为了准确地模拟堆聚质量分布,振型形状和地震力分布,主塔单元划分相对其它单元更为细密.双层桥面板均采用板单元模拟,斜拉索采用只受拉的桁架单元.由于拉应力和自重垂度影响的非线性刚度特性,采用等效弹性模量的方
8、法,用Ernst公式进行修正.2.2.2质量转化与初拉力的考虑桥面铺装设计时不做受力计算,即不与主梁构成整体一起承受结构内力,在建模时仅模拟铺装的质量,而不模拟其刚度,按均布荷载加载到桥面单元
