某斜拉桥抗风抗震分析与研究

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1、204科技研究城市道桥与防洪2011年5月第5期某斜拉桥抗风抗震分析与研究陈明贵，刘文江，冯克岩(天津市政工程设计研究院，天津市300051)摘要：通过对某斜拉桥抗风抗震分析，阐述了斜拉桥动力特征值的公式、分析方法，并对其结果进行了分析研究；依据特征值对斜拉桥的抗风抗震性能进行了论述、比较。关键词：特征值；抗风抗震分析；临界风速；反应谱法；时程分析法中图分类号：U442．5+5文献标识码：A文章编号：1009—7716(2011)05—0204—04出相应的振动向量。该桥采用空间迭代法求相应1概述特征值。采用midas软件进行空间计算，按照实际斜拉桥结构轻巧柔细，在地震

2、和风力作用下，必情况，建立空间有限元模型。模型的边界条件为：然会引起各种振动现象。这种振动轻则影响行车、行主塔柱在承台顶固结、边墩一侧为竖向约束，另一人舒适，重则使桥梁毁坏。对斜拉桥进行固有振动分侧为竖向和横向约束。结构模型见图1。析和动力反应分析，掌握其动力特性是十分必要的。以某桥为例，阐述斜拉桥抗震、抗风分析的方法。该桥跨径为120m+120m，单塔双索面斜拉桥。桥宽为31．3m，主梁高2．2ITI，断面为形肋板式截面。塔高81．1m，共有18对索。桥位处在8度地震区，基本风速V．=30m／s。因而对该桥进行抗风抗震分析是十分必要的。图1结构模型2特征值分析2．3计

3、算结果斜拉桥的抗风抗震性能首先决定于斜拉桥的在本桥的自由振动分析中，共有计算了300结构动力特性，即是其特征值。对于斜拉桥而言其阶，但是对于斜拉桥抗震抗风来说，取前20个自振结构动力特性体现于自振频率和其振动形式。结频率和相应振型就足够了。表1列出本桥前l0阶的构的自振频率与结构的整体刚度、质量分布有关。自振频率和相应振型的主要特点。刚度越大，频率越高，周期越短；质量越大，频率表1前1O阶振型参数表越低，周期越长。斜拉桥的振动形式是多种多样的，通常是竖向弯曲振动、扭转振动和弯扭联合振动三种不同表现形式。2．1特征值公式结构的有限元自由振动方程为：lJf}=lMJ{l由上

4、式可得到2_勰式中：[——总刚度矩阵；[——总质量矩阵；}——振型向量；(cJ——圆频率。2．2分析方法前1～4个振型的图形如图2～图5所示。空间迭代法即可求出所需的自振频率也可求2．4分析从振型图来看，边墩对主梁的横向振动和竖收稿日期：2010—12—15作者简介：陈明贵(1978一)，男，安徽阜阳人，高级工程师，从向振动的制约作用较明显，这对于结构抗风抗震事桥梁结构设计工作。是有利的。2011年5月第5期城市道桥与防洪科技研究205的是第5振型；与主梁自激振动有关的是第4振型和第5振型；扭弯频率比=／=1．38046。对主梁纵向和横向地震影响贡献最大的是第1振型和第

5、5振型；对主塔纵向和横向地震影响贡献最大的是第1振型和第2振型。由此可见，主梁抗扭刚度小，扭弯频率比稍微有点小，应适当加强主梁的横向刚度。对结构控制图2纵向振动截面地震影响贡献最大振型的周期相对短，对该桥的抗风抗震安全不利。相对一般梁式桥而言，斜拉桥的特征值有以下特点：(1)自振周期比较长，结构阻尼系数较小。斜拉桥的自振周期一般大于2S，而一般梁式桥自振周期一般小于1s；另外，斜拉桥上部结构的阻尼系数一般在0．01～0．02之间，比一般梁式桥阻尼系数0．04～0．4小很多。这些特点表明斜拉桥振动一开始，不会很快衰减。(2)斜拉桥中塔、索、梁、基础等各部分构件的振动特性相

6、差很大，所以斜拉桥实际上是自振周期和阻尼系数相差较大的塔、索、梁和基础组成的结构体系。3抗风分析图3两主塔同向振动在抗风分析中，只要保证结构的设计基准风速小于结构的临界风速结构就是安全的。下面介绍一下基准风速V和临界风速计算方法。(1)基准风速×xlo=l_0×1-38X30=41．4m／s。(2)临界风速计算临界风速，有三种方式：一是卡·克勒佩尔(K．Kloppe1)公式；二是范·德·普特(Vanderput)公式；三是赫佐格(Herzog)公式。a．卡·克勒佩尔(K．Kloppe1)公式V，=叩×[l1+(—一0．5)x、／0．72x÷_{一]J×bxb6V0式中：

7、町——形状影响系数；图4两主塔反向振动——为扭转与竖向弯曲共振频率之比；6r一为惯性半径；6——半桥宽；——结构物相对空气的质量比，tx=mGXB(~xpxb)(gx~xpxb)p——空气质量比重；卜平米的恒载按kN／m；图5主梁1阶扭转2．4分析B——为全桥宽。b．范·德·普特(Vanderput)公式在前l0阶振型中，与结构抗风稳定性有关的振型是以主梁的振动有关的振型；与主梁横向抖×振有关的是第6振型；与主梁纵向抖振及涡振有关206科技研究城市道桥与防洪2011年5月第5期式中：——恒载最大挠度。大桥梁。该桥采用反应谱法和时程反应法两