柔性鉸及塔梁縱向約束形式對多塔斜拉橋地震反應(yīng)的影響

柔性鉸及塔梁縱向約束形式對多塔斜拉橋地震反應(yīng)的影響

0加工方法對多塔斜拉橋結(jié)構(gòu)的影響在海上建設(shè)項目的系統(tǒng)中，多塔斜塔橋系統(tǒng)具有布置方式，可以滿足大型水域的連續(xù)通道。因此,多塔斜拉橋體系越來越受到建設(shè)者們的青睞。多塔斜拉橋和常規(guī)斜拉橋相比,其主要構(gòu)件索、塔、梁受活載效應(yīng)和溫度效應(yīng)的影響均顯著增大。采用合理的結(jié)構(gòu)體系提高結(jié)構(gòu)剛度并且減少溫度效應(yīng),成為多塔斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。為此,國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作,主要包括:(1)明確了針對體系剛度不足所可能采用的各種加勁措施,包括改善橋跨布置方式、邊跨設(shè)置輔助墩、采用剛性塔、設(shè)置塔間加勁索、橋塔處主梁采用雙支點、增大主梁和斜拉索剛度等,這些措施在國內(nèi)外多塔斜拉橋?qū)嶋H工程中得到應(yīng)用;(2)多塔斜拉橋的典型特征是塔多聯(lián)長,溫度效應(yīng)對梁、塔、索的影響較大。為此,法國米約高架橋、希臘里翁-安蒂里翁大橋以及我國嘉紹大橋分別采用了邊塔塔梁固結(jié)、較大規(guī)模的索塔形式、主梁跨中設(shè)置剛性鉸3種較為典型的處理方法。然而,目前針對多塔斜拉橋動力性能的研究相對較少。倪一清、李惠等針對香港汀九橋、濱洲黃河大橋等多塔斜拉橋體系,研究了多塔斜拉橋的動力特性及其抗震性能,并討論了黏滯阻尼消能裝置對多塔斜拉橋地震反應(yīng)的影響。方圓、李建中等以一座大跨5塔斜拉橋為工程背景,研究了該多塔斜拉橋的動力特性,并分析了行波效應(yīng)對大跨多塔斜拉橋地震反應(yīng)的影響。Su針對香港汀九橋計算了強風(fēng)作用下的抖振響應(yīng),討論了多塔斜拉橋結(jié)構(gòu)抖振響應(yīng)特點。需要指出,設(shè)置剛性鉸和塔梁縱向約束是降低多塔斜拉橋結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)的重要措施,這些措施對多塔斜拉橋抗震和抗風(fēng)性能的影響尚缺乏足夠認(rèn)識。為此,本文以嘉紹大橋6塔斜拉橋為對象建立三維有限元模型,計算6塔斜拉橋動力特性以及結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置的地震反應(yīng),在此基礎(chǔ)上重點分析剛性鉸設(shè)置和塔梁縱向約束形式等結(jié)構(gòu)體系對多塔斜拉橋動力特性以及地震反應(yīng)的影響特點和影響程度,為研究多塔斜拉橋抗震適宜結(jié)構(gòu)體系提供基礎(chǔ)。1嘉興-紹興大橋的有限分析模型1.1主梁和連塔塔梁的加勁設(shè)置浙江嘉興-紹興大橋為6塔、獨柱、4索面、分幅鋼箱梁斜拉橋,全橋10.137km。主橋總寬度55.6m,結(jié)構(gòu)形式為3塔1聯(lián)+3塔1聯(lián),聯(lián)與聯(lián)之間設(shè)置抽屜型剛性鉸,跨徑布置為70m+200m+5×428m+200m+70m。為解決嘉紹大橋豎向剛度過低和長主梁溫度變形較大等難題,設(shè)計時采用了4種加勁方式和構(gòu)造措施:(1)索塔兩側(cè)主梁設(shè)置縱向雙排支座;(2)邊跨設(shè)置一個輔助墩;(3)主梁跨中處設(shè)置抽屜形剛性鉸;(4)次邊塔處設(shè)置塔梁縱向剛性約束。其中,剛性鉸和次邊塔處塔梁縱向剛性約束是本橋解決多塔斜拉橋溫度效應(yīng)問題的2個主要措施。設(shè)計中剛性鉸滿足正常運營下的承載能力要求,約束主梁兩端的豎向、橫向相對位移及相對轉(zhuǎn)動,同時釋放跨中兩側(cè)主梁的縱向相對位移。1.2集中質(zhì)量模型采用ANSYS有限元軟件建立嘉紹大橋的有限元分析模型,如圖1所示。主梁、主塔和橋墩均采用Timoshenko梁單元模擬。主梁采用雙主梁模型以考慮主梁轉(zhuǎn)動慣量對扭轉(zhuǎn)振型的影響。橋面鋪裝、防撞欄以及主梁壓重等模擬為集中質(zhì)量。拉索采用空間桁架單元模擬,考慮拉索垂度效應(yīng),采用Ernst公式修正拉索的彈性模量。主塔、拉索和橋墩考慮恒載引起的軸力對幾何剛度的影響。樁土效應(yīng)采用J.Penzien質(zhì)量-彈簧模型來模擬。在主梁跨中,以左右2聯(lián)主梁梁端節(jié)點的主從約束模擬剛性鉸,即剛性鉸處的梁端2個節(jié)點在豎向和橫向主從約束,縱向約束釋放。主梁與過渡墩、輔助墩縱向相對自由,橫向主從約束。主梁與各主塔在橫向主從約束,次邊塔(塔2和塔5)與主梁縱向固結(jié),其余塔與主梁縱向約束釋放。2嘉紹橋地震反應(yīng)分析2.1次邊塔內(nèi)設(shè)置縱向約束本文采用分塊Lanczos法計算嘉紹大橋有限元模型的自振特性,表1為結(jié)構(gòu)的主要振型特征。從表中可以看出:(1)由于在次邊塔處設(shè)置塔梁縱向約束,嘉紹大橋模型沒有出現(xiàn)縱飄振型;(2)主塔1階側(cè)彎振型出現(xiàn)在整體振型的第3階,說明主塔橫向剛度較小;(3)主梁的1階側(cè)彎頻率大于1階豎彎頻率,說明主梁的面外剛度大于面內(nèi)剛度;(4)主梁的1階扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)在第43階,說明嘉紹大橋的主梁抗扭剛度較高,有利于提高結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能。2.2地震波時程分析據(jù)嘉紹大橋橋址的地震危險性分析,橋址100a超越概率3%的基巖地震動水平向峰值加速度取為0.1392g。本文從太平洋地震中心下載了3條合適的地震波,加速度峰值均調(diào)至0.1392g。圖2(a)為所選的3條地震波時程曲線,圖2(b)為3條地震波所對應(yīng)的加速度反應(yīng)譜以及設(shè)計加速度反應(yīng)譜?？紤]到斜拉橋以順橋向地震反應(yīng)為主要控制指標(biāo),本文選取橋塔的順橋向位移和內(nèi)力以及主梁順橋向位移作為結(jié)構(gòu)抗震分析對象。地震波輸入方式為縱向+豎向,豎向地震動取為縱向地震動的2/3。計算結(jié)果取3條地震波時程分析結(jié)果的最大值。圖3給出了橋塔沿高度方向的順橋向位移幅值和內(nèi)力幅值分布圖,其中塔高的零點為箱梁底部?？梢钥闯?(1)橋塔的順橋向位移最大值均發(fā)生在塔頂。次邊塔(塔2和塔5)由于塔梁縱向約束,塔中部位移增大明顯,塔頂位移則無影響。整體來看,次邊塔的位移幅值分布呈剪切形,其他4塔呈彎曲形。(2)橋塔的剪力和彎矩幅值沿塔高呈R形分布,次邊塔的剪力幅值從塔底至塔高50m處均大于其余各塔,彎矩幅值則自塔底約至塔梁結(jié)合處都大于其他各塔;邊塔(塔1和塔6)和中塔(塔3和塔4)的內(nèi)力分布基本一致。圖4進一步給出了各橋塔塔底內(nèi)力圖。邊塔和中塔的塔底內(nèi)力幅值基本相等(剪力相差不超過5%,彎矩相差不超過9%),次邊塔塔底內(nèi)力明顯大于其他塔,剪力幅值是其他塔的3.1~3.4倍,彎矩幅值是其他塔的3.7~3.8倍,這說明塔梁縱向約束極大地增加了次邊塔的內(nèi)力。圖5給出了主梁順橋向位移幅值和塔(墩)梁結(jié)合處的相對位移幅值?？梢钥闯?(1)由于次邊塔塔梁主從約束,此處主梁順橋向位移幅值較小,離次邊塔越遠位移幅值越大,以剛性鉸為界呈V字形;(2)剛性鉸將結(jié)構(gòu)分成2聯(lián),同時釋放了主梁順橋向平移自由度,故兩聯(lián)順橋向位移幅值在剛性鉸處存在明顯的位移差;(3)塔梁相對位移幅值在次邊塔處為0,在其他4塔處均較為接近(約0.12~0.14m),墩梁相對位移幅值則均較小(約0.05m)。根據(jù)上述分析結(jié)果,在下節(jié)討論中以橋塔塔底剪力和彎矩作為地震受力分析的關(guān)鍵指標(biāo),以橋塔塔頂和塔(墩)梁結(jié)合處相對位移作為結(jié)構(gòu)位移分析的關(guān)鍵指標(biāo)。3結(jié)構(gòu)體系特征對抗強能力的影響分析3.1主梁1階對稱側(cè)彎振型形狀首先研究剛性鉸的設(shè)置對多塔斜拉橋動力特性的影響。對比分析有無剛性鉸模型的動力特性可知:(1)剛性鉸設(shè)置對主梁1階對稱側(cè)彎振型頻率的影響較大。振型頻率由0.7087Hz(有剛性鉸模型)提高到0.861Hz(無剛性鉸模型),增幅21.50%,表明剛性鉸的設(shè)置減少了主梁的側(cè)向剛度。圖6(a)進一步給出了振型對比圖?？梢钥闯?剛性鉸的設(shè)置對主梁1階對稱側(cè)彎振型形狀的影響很小;(2)無剛性鉸模型主梁的1階扭轉(zhuǎn)振型頻率為1.1386Hz,相比有剛性鉸模型的扭轉(zhuǎn)頻率1.1361Hz,頻率增幅較小為0.22%,但振型形狀變化較大。如圖6(b)所示,設(shè)置剛性鉸時主梁1階扭轉(zhuǎn)主要是中間1跨發(fā)生扭轉(zhuǎn),不設(shè)剛性鉸的主梁1階扭轉(zhuǎn)是中間3跨同時發(fā)生扭轉(zhuǎn)。其次研究剛性鉸的設(shè)置對多塔斜拉橋地震反應(yīng)的影響,令基準(zhǔn)模型為有剛性鉸的模型。圖7給出了基準(zhǔn)模型和無剛性鉸模型的基底剪力和彎矩幅值分布?？梢钥闯?剛性鉸的設(shè)置對基底順橋向剪力幅值和彎矩幅值的影響很小,設(shè)置剛性鉸后基底剪力和彎矩幅值會略有提高,但增幅不超過3%。圖8給出了塔頂位移和塔(墩)梁相對位移幅值圖?？梢钥闯?剛性鉸的設(shè)置對塔頂順橋向位移幅值影響較小(變化幅度在-5%~8%)。此外,剛性鉸的設(shè)置對塔(墩)梁相對位移影響很小(變化幅度在-5%~6%之間)。3.2縱向約束結(jié)構(gòu)首先研究塔梁縱向約束形式對多塔斜拉橋動力特性的影響。嘉紹大橋次邊塔(塔2和塔5)與主梁縱向固結(jié),這種部分約束體系限制了主梁由溫度產(chǎn)生的變形,改善了剛性鉸的受力狀況。為了分析塔梁不同縱向約束方式對多塔斜拉橋動力特性的影響,在基準(zhǔn)模型(部分約束體系)的基礎(chǔ)上建立了2個對比模型:對比模型1為塔梁縱向全部主從約束即全固結(jié)體系;對比模型2為無塔梁縱向約束即全漂浮體系。對比不同縱向約束形式的橋梁結(jié)構(gòu)動力特性可知:(1)縱飄振型僅出現(xiàn)在全漂浮體系,由于塔梁間的約束,全固結(jié)體系和部分約束體系中則沒有出現(xiàn)縱飄振型。(2)塔梁縱向約束對主梁豎彎振型影響較大。全固結(jié)體系、部分約束體系和全漂浮體系的1階對稱豎彎振型頻率分別為0.2376,0.2299Hz和0.1704Hz。這說明縱向約束越強,主梁豎彎振型頻率越高。進一步對比振型形狀可知:全固結(jié)體系和部分約束體系的主梁豎彎振型形狀基本相同,但是部分約束體系和全漂浮體系的主梁豎彎振型形狀變化很大(如圖9(a)和圖9(b)所示)。(3)塔梁縱向約束對主梁側(cè)彎振型影響較大。全固結(jié)體系、部分約束體系和全漂浮體系的1階對稱側(cè)彎振型頻率分別為0.8598,0.7087Hz和0.7071Hz,這說明縱向約束越強,主梁側(cè)彎振型頻率越高。進一步對比振型形狀可知:全固結(jié)體系和部分約束體系的主梁1階對稱側(cè)彎振型和1階反對稱側(cè)彎振型形狀基本相同;部分約束體系和全漂浮體系的主梁1階對稱側(cè)彎振型形狀基本相同,但是主梁1階反對稱側(cè)彎振型形狀在兩邊跨變化很大,如圖9(c)和圖9(d)所示。(4)全固結(jié)體系、部分約束體系和全漂浮體系的主梁扭轉(zhuǎn)振型和主塔側(cè)彎振型的頻率和振型形狀均基本一致,這表明塔梁縱向約束形式對主梁扭轉(zhuǎn)振型和主塔側(cè)彎振型的影響很小。其次研究塔梁縱向約束形式對多塔斜拉橋地震反應(yīng)的影響。圖10為基底剪力和彎矩幅值分布圖?？梢钥闯?(1)塔梁不同縱向約束形式下各輔助墩和過渡墩的反力相差很小(變化幅度小于6%)。(2)塔梁不同縱向約束形式下塔底順橋向的剪力幅值相差較大。對于次邊塔來說,部分約束體系和全固結(jié)體系的剪力幅值分別是全漂浮體系的4倍和1倍左右;對于邊塔和中塔來說,全固結(jié)體系的剪力幅值是部分約束體系和全漂浮體系的1倍左右,并且部分約束體系和全漂浮體系基本接近。(3)塔梁不同縱向約束形式下塔底順橋向的彎矩幅值相差較大。對于次邊塔來說,部分約束體系的彎矩幅值是全固結(jié)體系和全漂浮體系的1倍左右,全固結(jié)體系和全漂浮體系則基本接近;對于邊塔和中塔來說,全固結(jié)體系和全漂浮體系基本接近,并且是部分約束體系的1倍左右。圖11為塔頂位移幅值分布圖,從中可以看出:(1)全固結(jié)體系與部分約束體系的塔頂位移基本接近,全飄浮體系下塔頂位移遠大于部分約束體系和全固結(jié)體系4倍左右;(2)全固結(jié)體系下塔梁順橋向相對位移幅值為0,部分約束體系下塔梁順橋向相對位移也較小,然而,全飄浮體系下塔梁順橋向相對位移幅值很大,比部分約束體系亦大4倍左右。4縱向約束加工對多塔斜拉橋地震反應(yīng)的影響本文以嘉紹大橋6塔斜拉橋為工程背景,詳細討論了結(jié)構(gòu)體系(剛性鉸設(shè)置以及塔梁縱向約束形式)對多塔斜拉橋動力特性及其地震反應(yīng)的影響特點和影響程度。分析結(jié)果表明:(1)剛性鉸的設(shè)置對多塔斜拉橋主梁的1階對稱側(cè)彎振型和1階對稱扭轉(zhuǎn)振型影響較大,而對主梁豎彎等其他振型影響很小。同時,剛性鉸的設(shè)置對于多塔斜拉橋地震反應(yīng)影響很小。這表明,設(shè)置剛性鉸在改善多塔斜拉橋體系溫度效應(yīng)的同時,不會對多塔斜拉橋結(jié)構(gòu)抗震性能造成不利影響。(2)塔梁縱