1、某大跨径斜拉桥抗震性能分析【摘要】 以某大跨斜拉桥为背景，对其进行了动力特性分析，利用反应谱法对斜拉桥进行了抗震计算，总结出在不同激励下的位移和受力。 【关键词】斜拉桥动力特性反应谱抗震 中图分类号：TU973+.31 文献标识码：A 文章编号： 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。斜拉桥跨径大、造价高，一旦在地震中发生破坏，将造成人民生命和财产的严重损失，因此在设计阶段确保其抗震安全性具有非常重要的意义。 本文以一座大跨斜拉桥工程设计实例，采用有限元程序建立该桥空间有限元计算模型，分析了该桥的动力特性特点，并采用反应谱法对该桥进行了计算，分析了该桥
2、的地震反应和抗震性能。 1 工程概况 该桥主桥设计方案为预应力砼斜拉桥，桥跨布置为 100+230+100m，上部结构采用双主肋式截面，桥塔采用钻石形，基础采用钻（挖）孔灌注桩基础，桩径 2.5m。主桥的总体布置如图 1 所示。 图 1 主桥桥跨总体布置图(单位：m) 2 动力计算模型 对大桥进行动力反应分析的有限元模型如图 2 所示。总体坐标系以顺桥向为 x 轴，横桥向为 y 轴，竖向为 z 轴；各单元局部坐标系以单元轴向为 1 轴(从 I 节点指向 J 节点)，3 轴保持水平且垂直于 1 轴，2 轴按右手螺旋准则确定。模型利用空间梁单元模拟主梁、墩柱，用空间杆单元模拟拉索，考虑拉索垂度和恒
3、载作用对结构刚度的影响（P-效应） ；主梁节点和斜拉索吊点间用主从关系模拟。各墩桩基均采用 66 耦合弹簧模拟。在进行动力特性及反应谱分析计算时，主桥墩梁、塔梁的连接关系见表 1。 表 1 有限元模型中主桥墩-梁、塔-梁连接关系 注：x 为纵桥向，y 为横桥向，z 为竖向。 “0”表无主从约束， “1”表主从约束。 图 2 大桥有限元模型 3 动力特性 分析和认识桥梁结构的动力特性是进行桥梁结构抗震性能分析的基础和重要环节，为此，采用前述结构计算模型，对大桥进行了动力特性分析。表 2 给出了大桥的前 9 阶自由振动的周期、频率及振型特征。 表 2 大桥前 9 阶动力特性 4 地震反应谱分析 4
4、.1 反应谱基本原理 反应谱理论就是：结构可以简化为多自由度体系，多自由度体系的地震反应可以按振型分解为多个单自由度体系反应的组合，每个单自由度体系的最大反应可以从反应谱求得。其实质是采用了“地震荷载” 的概念，从地震动出发求结构的最大地震反应，同时考虑了地面运动和结构的动力特性。 反应谱分析法用于抗震计算包括三个基本步骤：第一步是获得地震动反应谱；第二步是将结构振动方程进行振型分解。将物理位移用振型广义坐标表示，而广义坐标的最大值由第一步中所得反应谱求得；第三步，反应量的最大值可通过适当的方法将各振型反应最大值进行线性叠加，得出这项反应的最大值。 4.2 计算参数的确定 根据公路桥梁抗震设计
5、细则(JTG/T B02-01-2008) ，对于 A 类桥梁，E1 地震作用的重现期为 475 年，E2 地震作用的重现期为 2000 年。大桥工程场地水平方向设计加速度反应谱(标准反应谱)取如下形式(式(2-1)，阻尼比为 5： 式中，为周期为时的反应谱值；为反应谱周期；和为反应谱拐点周期；为反应谱放大倍数；为衰减系数；为地震加速度峰值。具体参数如表 3 所示。 水平设计反应谱曲线如图 3 所示。在动力特性分析所采用的有限元模型中，按照两阶段设防，分别输入地震作用 E1 和地震作用 E2，对结构进行反应谱分析，取前 500 阶振型，按 CQC 方法进行组合。地震输入采用两种方式：1) 纵向
6、竖向；2) 横向竖向，竖向地震荷载取水平方向的 0.65 倍，方向组合采用 SRSS 方法。表 4、表 5 给出了在 E2 地震作用下各种地震动输入方式一些代表性截面结构响应的位移及内力值。 表 3 反应谱参数取值(阻尼比 5) 图 3 水平地震动加速度反应谱(阻尼比 5) 5 结论 本文结合一座大跨斜拉桥工程设计实例，采用有限元程序建立了该桥空间有限元计算模型，分析了该桥的动力特性特点，采用反应谱法对该桥进行了地震反应计算，并根据计算结果对该桥进行了抗震性能分析。通过分析，该大跨斜拉桥抗震关键截面主要分布于主塔、桥墩，主梁梁端及塔顶位移也应当重视。由于该桥所处地区地震烈度较高，在地震作用下，主塔、桥墩部分截面抗震计算无法满足要求，因此，在下一步设计中，应优化抗震体系，并考虑减隔震支座、阻尼器等措施，以满足桥梁的抗震要求。 表 4 地震作用下主桥关键节点的位移反应最大值 表 5 地震作用下主桥桥墩和索塔截面内力最大值 参考文献 1 范立础桥梁抗震M上海：同济大学出版社，1997 2 任重ANSYS 实用分析教程M北京大学出版社，2003 3 李 国豪 桥梁结构稳定与振动 M北 京 ：中 国铁 道 出版 社，1992 4 00489，公路工程抗震设计规范S 5 杨美良钢管 混凝土拱桥空间稳 定分析 J中南 公路 工程 ， 2004，(4)
