大跨桥梁结构的长周期地震响应分析

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1、第Z1卷第Z期河南城建学院学报V。1.Z1N。.ZZ01Z年3月J。urna1。fHenanUn1ver51ty。fUrbanC。n5truct1。nMar.Z01Z文章编号:1674-7046(Z01Z)0Z-0013-05大跨桥梁结构的长周期地震响应分析藏明明#尤培华(中国核电工程有限公司郑州分公司#河南郑州45005Z)摘要:以某大跨度料拉桥为工程背景#采用AN5Y5程序建立桥梁结构的三维有限元模型#选用两条典型的长周期地震波#对大跨桥梁结构进行地震反应分析#比较长周期地震波和普通地震波作用下桥梁结构反应的差异#探讨大跨桥梁结构的长周期行波效应问题。关键词

2、:大跨桥梁结构;长周期地震波;动力特性;行波效应;地震反应比较+中图分类号:U441.3文献标识码:A随着我国经济建设的需要以及工程设计和施工技术的进步$大跨度桥梁%超高层建筑%大型储液罐%海洋平台等具有长自振周期的建筑物数量大量增加。近年来$长周期结构的震害事例时有发生$日益引起地震工程界的重视。例如:1989年美国L。maPr1eta地震$造成离震中约100km的旧金山西北地区桥「1」梁的严重破坏;1995年日本阪神地震$一座主跨485m钢斜拉桥发生局部破坏;Z003年日本十胜冲地「Z-3」震时$远离震中的苫小牧地区储油罐发生严重溢流并引发一场火灾。这些震害

3、表明$对于长周期结构的抗震问题尚需进一步地研究和完善。大跨度的桥梁结构具有自振周期长%地震反应复杂%高阶振型影响明显等特点$相应的抗震设计也比较复杂。目前$国内外现有的大多数桥梁工程抗震设计规范只适用于中等跨度的普通桥梁$我国公路工程抗震设计规范也仅适用于主跨不超过150m的梁桥和拱桥$大跨度桥梁的抗震设计方面还存在需要进一步解决的问题$有必要对大跨度桥梁结构的长周期地震反应进行进一步的研究。本文采用AN-5Y5有限元分析软件$建立某大跨度斜拉桥结构的三维有限元模型$选取两条典型长周期地震波对结构进行了地震反应时程分析$并与普通地震波的计算结果进行了比较$地震输

4、人时采用一致输人和行波输人两种不同的方式$探讨了大跨桥梁结构的长周期行波效应问题$对同类桥梁的抗震设计具有参考意义。1桥梁结构有限元模型的建立及动力特性分析1.1工程概况某大跨度桥梁主桥采用双塔双索面半漂浮体系结合梁斜拉桥$主桥全长848m$桥跨布置为Z16m+416m+Z16m$主桥桥面宽36.Zm。索塔为门式塔$设置上下两道横梁$桥面以下设一道下横梁$桥面以上设一道上横梁$Z道横梁将索塔分为上%中%下塔柱三部分。南塔高118m$北塔高116m(塔座以上)$桥面以上高度均为96m$其与主跨径之比为0.Z31$索塔截面形式为单室类六边形。主桥主梁截面以两工字钢边

5、梁肋%横梁及中间小纵梁与混凝土桥面板结合形成组合截面$主桥两边墩均为方柱式墩身。该斜拉桥桥址区地震基本烈度7度$中震作用下峰值加速度取为0.1g。收稿日期:Z011-1Z-Z3第一作者简介:藏明明(198Z-)#男#山东临沂人#硕士#中国核电工程有限公司郑州分公司助理工程师。14河南城建学院学报Z01Z年3月采用有限元计算软件AN5Y5建立全桥有限元模型。建模过程中$按照刚度等效原则计算材料特性和截面特性$对桥梁进行简化。其中$桥钢主梁%钢横梁及小纵梁%索塔%边墩%索塔内横梁等处理成梁单元$采用BEAM189单元模拟;桥面板单元采用5HELL63单元模「4」拟;

6、斜拉索等效为空间杆单元$用LINK10单元模拟。图1全桥有限元模型全桥的有限元计算模型如图1所示。1.Z模型动力特性分析分析和认识大跨度斜拉桥的动力特性是进行地震反应分析和抗震设计的基础。在上述有限元模型的基础上$采用子空间迭代法对模型进行了模态分析$计算了桥梁结构的动力特性。表1列出了该桥的前10阶振型的频率%周期及振型特征。由模态分析的结果可知$结构的第1阶图Z斜拉桥1阶振型图自振周期较长$属于长周期结构。斜拉桥模型的1阶振型图如图Z所示。表1桥梁结构的动力特性通过对前10阶振型进行分析$可以得到如下结阶次频率/H2周期/5振型特征论:(1)由于该桥梁为半漂

7、浮体系$主塔与主梁间纵10.11568.6505主梁纵飘向自由$边墩采用双向滑动支座$主梁与边墩在纵桥Z0.19095.Z387主梁1阶对称竖弯向%横桥向均自由$结构的纵向刚度较小$因此桥梁30.Z3714.Z183主梁1阶对称侧弯40.Z9873.3483主梁1阶反对称竖弯的第1阶振型表现为主梁的纵向漂移。(Z)桥梁的50.3473Z.8790主梁1阶反对称侧弯跨径大$桥梁上部结构的竖向刚度较弱$结构的第Z60.3935Z.5416索塔对称侧弯阶和第4阶振型表现为主梁竖弯振型;桥梁抗扭刚70.3998Z.5014主梁1阶对称扭转度较大使扭转振型后移$有利于增强

8、桥梁的抗风性80.415