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1、铁 道 建 筑2007年第5期RailwayEngineering23文章编号:100321995(2007)05200232043大跨度斜拉桥地震响应分析1112曹永睿,钟铁毅,顾正伟,唐兴国(11北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044;21中咨泰克交通工程有限公司,北京 100083)摘要:针对国外一座在建的大跨度斜拉桥,采用脊梁模型,基于大型通用有限元分析程序ANSYS建立了斜拉桥空间结构动力分析模型,使用3条实际地震波对该桥在纵、横向地震激励下的响应进行了计算分析,给出了主梁跨中和塔顶及塔底的内力、位移的地震响应规律,
2、取得了一些有价值的结果。关键词:斜拉桥 时程分析法 地震反应 有限元中图分类号:U448107 文献标识码:A钢丝索。主桥布置示意图见图1。0 引言近年来在国内外桥梁建设中,斜拉桥特别是大跨度斜拉桥所占的比重越来越大,斜拉桥的抗震性能也[1]得到了越来越多的关注和研究。目前,斜拉桥动力分析中对桥塔的分析一般采用空间梁单元,但是对桥面系的模拟却形成了不同的计算模型,常用的有脊梁图1 斜拉桥立面布置图(单位:cm)[2][3][4]模式、Π式模式、三主梁式模型、空间梁板式模[5]型等模拟方式。本文综合考虑已有的建模方法的优2 动力计算模型缺
3、点,采用常用的脊梁模式建立了该斜拉桥的有限元空间动力计算分析模型,在考虑几何非线性的情况下,本文采用大型通用有限元程序ANSYS建立了全对该斜拉桥的地震响应规律进行了动态时程响应分桥空间有限元分析模型。建模时采用了目前斜拉桥计析,从中得出一些有价值的结论。算中常用的脊梁模式,把桥面系的刚度(竖向、横向的挠曲刚度,扭转刚度)和质量(平动质量和转动惯量)都1 工程概况集中在主梁中间节点上,节点和斜拉索之间采用刚臂该斜拉桥为三跨全飘浮体系(192m+434m+192连接。主塔、主梁和刚臂都采用三维梁单元BEAM4模m),双塔双索面叠合梁斜拉桥
4、。大桥设计安全等级为拟,斜拉索采用空间索单元LINK10模拟,依据Ernst公一级,桥梁设计基准期为100年,设计车速为80kmPh,式计算等效弹性模量,考虑索垂度引起的非线性影响。桥面全宽为30m,最大纵坡为1%,横向设置2%的横边界条件处理为将桥塔在承台顶固接,施加全自坡度。上部结构为两个钢箱梁和混凝土桥面板组成的由度约束;主梁两端施加竖向约束,模拟梁端竖向支叠合梁。桥面板厚0125m,主梁为两分离高218m、宽座。桥塔与主梁连接处,耦合塔、梁重合节点横向自由213m的钢箱梁,钢箱梁之间,每4m设置一道横隔梁,度,模拟横向抗震支座。
5、横隔梁间设置两道小纵梁,端横梁处设置铸铁压重,每全桥有限元模型共划分BEAM4梁单元358个,侧重16044kN。索塔为门形塔,钻孔桩高桩承台基LINK10索单元140个,节点357个。各单元的几何截础,塔高1411331m。塔柱设置三道横梁,塔柱均为空面特性依据实际构件截面尺寸而定。三维有限元动力心薄壁结构。下塔柱高241241m,变截面单箱单室,下计算模型见图2。大上小,中塔柱高54109m,上塔柱高59m,均为等截3 结构动力特性分析面箱形断面,三道横梁亦为箱形截面,上、中横梁高4m,下横梁高6m。全桥共140根斜拉索,采用半平行
6、结构的动力响应取决于外部条件的干扰和结构自身的动力特性,本文采用ANSYS程序中的Block3北京市重点学科建设(防灾减灾及防护工程)资助项目Lanczos法对斜拉桥进行模态分析,求解其动力特性。24铁 道 建 筑May,2007共计算了前300阶自振模态。前20阶模态频率及振型特征见表1,其中第1阶振型为纵飘,侧弯首次出现在第2阶振型,竖弯首次出现在第4阶振型,扭转首次出现在第18阶振型。图2 斜拉桥动力计算模型由表1可以看出该斜拉桥动力特性有以下特点:表1 斜拉桥自振频率及振型特性Hz振型序号频率振 型振型序号频率振 型101104
7、3纵飘,塔同向纵弯100168952阶对称侧弯,塔同向侧弯20119481阶对称侧弯110176153阶对称竖弯,塔反向纵弯30126261阶反对称侧弯120191274阶反对称竖弯,塔同向纵弯40127231阶对称竖弯,塔反向纵弯131102634阶对称竖弯,塔反向纵弯50136842阶反对称竖弯,塔同向纵弯141105835阶反对称竖弯,塔同向竖弯60149572阶对称侧弯,塔同向侧弯151113785阶对称竖弯,塔反向竖弯70159742阶对称竖弯,塔反向纵弯161128522阶反对称侧弯,塔反向侧弯8016728塔反向侧弯171
8、130645阶反对称竖弯,塔同向竖弯90167373阶反对称竖弯,塔同向纵弯181132681阶对称扭转,塔同向扭转1)大跨度斜拉桥的柔度比较大,自振周期长,固有采用ANSYS程序中的瞬态动力学分析Full
