大跨度铁路斜拉桥反应谱法内力响应计算分析.docx
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大跨度铁路斜拉桥反应谱法内力响应计算分析
大跨度铁路斜拉桥反应谱法内力响应计算分析
作者:
贡保甲
来源:
《建筑工程技术与设计》2015年第04期
摘要:
对于主跨跨径大于150m以上铁路斜拉桥的抗震分析,现行铁路桥梁抗震规范中没有明确规定。
鉴于此本文在参考现行桥梁抗震分析规范及相关文献资料的基础上,结合工程实际,运用有限元模型程序计算主桥上部结构的动力特性、动力反应谱;根据反应谱法的计算结果,分析梁、塔的地震动响应特性,讨论不同方向地震波分量作用下结构控制截面对应产生的内力响应类型特征及其产生的原因。
关键词:
大跨度铁路斜拉桥;抗震分析;反应谱法
1.工程概况
主桥桥型为双塔双索面部分斜拉桥,斜拉索按扇形布置。
采用塔梁固结、墩梁分离的结构体系,孔跨布置为(96+176+96)m。
主桥为三向预应力体系,梁体、塔柱及横梁混凝土为C55混凝土,普通钢筋采用HPB235钢筋、HRB335钢筋。
主桥空间模型图示如下:
图1-1铁路斜拉桥空间模型图示
1.1技术标准
表1-1技术标准参数表1
铁路等级设计荷载正线数目速度目标值正线线间距主桥平曲线
城际铁路0.6UIC双线200km/h4.4m直线
表1-2技术标准参数表2
主桥纵坡设计洪水频率通航要求设计流量地震烈度
0‰1/100Ⅱ级航道3488m3/sa=0.10g;T=0.45s
1.2场地条件
已知桥址所在区地震动峰值加速度取为0.10g,抗震设防烈度为7度区,设计地震分组为第一组,地震动反应谱特征周期为0.45s。
根据《铁路工程抗震设计规范》(GB50111-2006)(2009版)表4.0.1-2判定,桥位场地类别为Ⅲ类。
1.3结构特征
主梁为单箱双室变高度直腹板截面,箱梁顶宽13.50m,箱宽11.0m,中支点截面高度9.60m,截面高度按二次抛物线变化。
顶、底板及腹板在横梁附近设置过渡段适当加厚,箱梁横向索梁锚固位置设横梁。
塔横向布置为H形钢筋混凝土结构,塔高25.0m(梁顶面起算),塔柱及连接横梁均采用矩形截面。
该斜拉桥基本结构体系类型为塔梁固结体系。
2.有限元模型抗震分析要点
采用MIDAS/Civil(通用空间有限元分析软件)程序中的反应谱法进行斜拉桥抗震分析。
2.1有限元模型建模要点
采用空间杆单元模拟斜拉桥梁、塔和桥墩,斜拉索结构采用索单元进行模拟。
全桥模型共371个节点,289个单元。
斜拉桥主体结构材料特性参数如下:
表2斜拉桥主体结构材料特性参数表
结构部分材料类型规范标准弹性模量泊松比容重
kN/m¬¬2--kN/m¬¬3
主梁C55混凝土自定义3.60e+070.225.000
预应力束Strand1860JTG04(S)1.95e+080.378.500
墩、塔C55混凝土TB05(RC)3.60e+070.225.000
斜拉索Wire1570TB05(S)2.05e+080.378.500
本文建模分析过程作了如下处理:
(1)斜拉桥索梁、索塔、梁塔之间边界连接条件均使用弹性连接中的刚性连接方式,通过较大刚度的刚臂连接使得斜拉索两端与塔、梁和塔底与梁体各对应连接处节点之间具有完全相同的自由度。
(2)以设计地震水准进行结构内力响应分析,以地震波各向分量按顺桥向做最不利组合为例,作为反应谱分析阶段的特殊荷载工况。
并对有车和无车两种工况下的结构地震动响应结果进行对比分析。
(3)地基基础对主桥各桥墩墩底的支承作用采用节点弹性支承方式模拟其边界特性
(4)斜拉桥动力分析的模型类型采用3D模型,假定单元的质量集中在节点上,结构阻尼比取为0.05。
针对所使用振型分解反应谱法进行结构动力分析,故采用Ritz向量法进行结构振型计算。
该桥梁所在场地地质连续,无明显差异性的地貌特征,桥长未超过600m,故本文不考虑结构地震运动的空间特性。
桥梁深基础埋设深度基本一致,故不考虑不同深度的地震时程响应差异性的影响。
2.2模型分析考虑荷载类型
(1)恒载
①一期作用:
结构自重、纵向预加应力;
②二期恒载:
考虑桥面轨道结构、人行道,挡碴墙、通信信号及电力电缆设施、接触网支架等因素,桥面二期恒载按160kN/m线荷载考虑;
③边墩节点荷载:
边墩墩顶位置分别施加-5638kN大小的节点集中力,以代替引桥部分边梁对边墩的荷载作用。
(2)活载
设计活载采用ZC荷载(0.6UIC),动力系数1.0。
(3)地震荷载分量组合
抗震分析过程同时考虑斜拉桥结构在X、Y、Z三个方向上受到的地震作用,以顺桥向最不利组合作用为例。
顺桥向地震动荷载分量组合:
EX+0.3EY+0.3EZ
其中,EX、EY、和EZ分别为X、Y、Z方向上的设计地震作用;
(4)本文涉及斜拉桥抗震分析过程为无车条件下,同时不考虑混凝土收缩、徐变以及温度效应等非线性因素的影响。
3.地震动反应谱分析
3.1模型有效质量输入
在MIDAS/Civil中输入质量包括:
1.将结构自重转换为质量;2.将其它恒荷载转换为质量。
其中结构自重是在结构类型选项中按集中质量法直接完成转换,而二期恒载、预加应力和斜拉索初拉力则作为外部荷载的形式在X、Y、Z三个方向上进行输入转换。
3.2地震动输入模式
依据已知工程场地所在地区的抗震设防烈度及地震动反应谱特征周期,在顺桥向采用China(GB50111-2006)规范设计水平反应谱对该斜拉桥的抗震性能进行分析。
以下将所使用的各级水准地震动作用特性参数的取值列表如下:
表3-1地震作用特性参数取值表
地震作用类型多遇地震设计地震罕遇地震
设计地震分组1组1组1组
场地类别Ⅲ类Ⅲ类Ⅲ类
设计特征周期0.45sec0.45sec0.45sec
基本水平地震加速度0.04g0.10g0.21g
最大周期10sec10sec10sec
备注设计反应谱采用China(GB50111-2006)规范设计,阻尼比取为0.05,重力加速度值取9.806m/sec2。
分析过程中将纵、横、竖三个方向的地震波按最不利组合方式作为地震作用输入,主要查看边跨跨中、1#控制截面、中跨1/4跨和中跨跨中以及左、右两侧主塔的塔底、横系梁梁端及跨中等控制截面位置的内力响应情况。
3.3反应谱振型分析
根据前四阶振型图示可知,振型1是竖向对称振动,振型2是顺桥向振动,振型3是横桥向振动,振型4是竖向反对称振动。
运用里兹向量法求出与三个平动地震动输入直接相关的前15阶振型,桥梁自振周期小于1.5秒,故结构抗震分析不需要按多自由系统考虑。
X平动、Y平动、Z平动三个方向的振型参与质量分别达到了99.65%、99.25%、99.14%。
满足规范中振型参与质量达到总质量90%以上的要求。
3.4.反应谱法结构内力响应分析
(1)多遇地震结构内力响应数据汇总:
表3-2多遇地震主桥结构控制截面内力响应量值一览表
荷载
组合结构
构件控制截面位置FXFYFZMxMyMz
kNkNkNkN·mkN·mkN·m
顺
桥
向
地
震
动
荷
载
分
量
组
合主
梁左边跨跨中22061468657332578717888
左1#截面54341071174977154798723872
中跨1/4769360612731901191108287
中跨跨中95662004404102525917597
中跨3/410902622125721542496111682
右1#截面120991092238378007681725894
右边跨跨中220417968017922576828382
主
塔左塔塔底2242645953038244796
左横系梁梁端6344278163141117
左横系梁跨中121226540841165
右塔塔底36722057424565768150
右横系梁梁端7737226130669160
右横系梁跨中201221133169194
备
注注1)以上各部分构件控制截面内力响应数据按主桥结构整体坐标系记录;
注2)内力响应数据为正值,表示内力作用方向与构件局部单元坐标系正向一致。
若为负值,表示内力作用方向与构件局部单元坐标系正向相反;
注3)构件轴向为局部单元坐标系X轴方向,轴力作用方向与X轴正向一致时,表示内力为拉力。
若相反时,表示内力为压力。
(2)设计地震上部结构内力响应数据汇总
表3-3设计地震主桥结构控制截面内力响应量值一览表
荷载
组合结构
构件控制截面位置FXFYFZMxMyMz
kNkNkNkN·mkN·mkN·m
顺
桥
向
地
震
动
荷
载
分
量
组
合主
梁左边跨跨中5240486216327456446944720
左1#截面13585279543741928711996859679
中跨1/4195971515317751534945918522
中跨跨中23994516112410996314843992
中跨3/4273641560337857078581333302
右1#截面30425285857081950119204364735
右边跨跨中4982625182344816424470428
主
塔左塔塔底560660148775956119240
左横系梁梁端1581106454079102293
左横系梁跨中30306631020102414
右塔塔底9145511437610514422374
右横系梁梁端194935653265173402
右横系梁跨中5130528828173486
(3)罕遇地震结构内力响应数据汇总:
表3-4罕遇地震主桥结构控制截面内力响应量值一览表
荷载
组合结构
构件控制截面位置FXFYFZMxMyMz
kNkNkNkN·mkN·mkN·m
顺
桥
向
地
震
动
荷
载
分
量
组
合主
梁左边跨跨中1100410214542567713538593914
左1#截面285295870918540504251932125327
中跨1/440390323064791116910897937682
中跨跨中5038710832361230813261292385
中跨3/457465327770951198518020869935
右1#截面6389260021198840952403292135945
右边跨跨中110691962443912105133612145410
主
塔左塔塔底1177138631231594912850505
左横系梁梁端33223114598566216615
左横系梁跨中646413942143216870
右塔塔底1921115730171282130286786
右横系梁梁端40719711866857364844
右横系梁跨中10764110917403641021
(4)桥梁上部结构内力响应数据分析
通过综合对比反应谱法计算结果,以下从内力响应类型和构件轴向内力分布趋势这两个维度对构件控制截面内力响应特征及其产生的原因进行分析:
①顺桥向地震动对主梁的内力作用主要表现在轴力Nx、剪力Qz、弯矩My等量值的明显变化上。
主梁轴向力沿X轴正向(模型从左至右)逐渐增加,由于右侧墩梁连接处采用固定铰支,墩、梁节点的纵向位移受到限制,故此处主梁截面轴力Nx达到最大值,比剪力值高出一个数量级。
中跨跨中截面有效面积略小于边跨跨中,受到的轴向作用是边跨跨中轴力的三倍多,容易引起应力集中,故应作为控制截面进行验算;主梁各截面竖向剪力Qz大于横向剪力Qy,弯矩My大于弯矩Mz,这是由于地震波沿顺桥向传播过程中,主梁受到的地震波竖向震动分量大于横向分量。
主梁截面扭矩Mx的产生是由于该斜拉桥体系为塔梁固结,塔顶在地震动荷载分量组合作用下引起的水平向位移使得梁体产生轴向扭转。
对比主梁各控制截面可知,主梁1#截面上各项内力明显大于其它截面,应该作为控制截面进行验算;
②顺桥向地震动对主塔的内力作用贡献主要表现在剪力Qx、轴力Nz、弯矩My等量值的变化上,但较主梁明显要小。
同时,横系梁主要受竖向剪力Qz及弯矩Mx的作用。
扭矩My的产生是由于横系梁两侧塔体在地震动荷载分量组合作用下的水平位移方向或位移量不一致引起横系梁两侧梁端截面沿径向产生相对位移,因而使梁体产生轴向扭转,最大内力也是出现在横系梁梁端截面位置处。
左、右两侧主塔结构形式为塔梁固结且对称布置,塔底竖向轴力及水平向剪力大小量值基本一致,相比而言右侧主塔塔底受到梁底固定铰支纵向位移约束作用的影响,因在纵向地震波作用下的剪力Qx、弯矩My值相对较大,故右侧主塔塔底截面应作为控制截面进行验算;
4.列车荷载参与作用下地震响应分析
4.1控制截面内力响应数据对比
参照铁路桥梁抗震规范中对于Ⅰ、Ⅱ级铁路在列车荷载参与作用下地震响应分析的要求,在顺桥向、横桥向及竖向计入活荷载引起的地震力。
列车位移方向类型为往返,取偏心距为2.4m,列车车轮间距1.425m,桥梁跨度为370m。
现将有车与无车工况下结构控制截面内力响应数据对比如下:
表4有车与无车工况下结构内力响应数据对比表
荷载工况构件控制截面内力类型单位有列车荷载无列车荷载
主
力中跨跨中轴力NxkN-160412-149078
剪力QzkN-1307-844
弯矩MykN·m392416330808
中跨右侧
1#截面轴力NxkN-558849-535386
剪力QzkN6134950884
弯矩MykN·m-1359432-1927077
主力
+
顺桥
向地
震动
组合中跨跨中轴力NxkN-138535-125161
剪力QzkN-2512-1966
弯矩MykN·m-932419-916566
中跨右侧
1#截面轴力NxkN-532647-504961
剪力QzkN5714256593
弯矩MykN·m25744212418242
4.2列车荷载作用下结构地震响应结果分析
分析结果数据显示内力响应结果整体提高了12%~15%,说明在地震发生时如果桥梁上有列车荷载作用,将会增加地震动对桥梁结构的不利影响,即增加的内力和位移量可能造成桥梁结构局部应力集中,造成混凝土开裂。
5.结语
本文采用反应谱法,以顺桥向最不利荷载组合为例进行分析。
对比发现,设计地震水平加速度峰值比多遇地震提高了2.5倍,而结构控制截面内力响应量值对比增加了2.6~2.8倍;罕遇地震水平加速度峰值比多遇地震提高了5.2倍,而内力响应量值对比增加到5.3~7.1倍。
由此可见,随着地震水准等级的提升,结构响应量值的非线性增长趋势也越加明显。
考虑到在列车荷载参与作用下,对结构的不利影响很容易导致混凝土材料的开裂,甚至破坏。
建议对斜拉桥主桥截面形式进行进一步优化设计,可采用钢腹板箱梁截面来减轻结构自重,克服混凝土材料强度储备不足的缺陷,以有效保证桥梁运营阶段的安全性和耐久性。
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作者简介:
贡保甲,男(1985-),甘肃甘南人,硕士研究生,研究方向为桥梁与隧道工程.
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