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        云龍灣特大橋動力特性分析與研究

        2021-06-27 07:20:20袁賢榮夏東旭
        四川水泥 2021年6期
        關(guān)鍵詞:順橋加勁梁龍灣

        袁賢榮 甘 嵐 夏東旭 夏 宇

        (四川西南交大土木工程設(shè)計有限公司,四川 成都 610031)

        1 概述

        自錨式懸索橋是將主纜錨固于加勁梁或者橋面板上,通過加勁梁或者橋面板分擔主纜強大的水平力,形成縱向自平衡體系[1?2]。同時為了降低溫度的影響,平衡塔柱受力,雙塔自錨式懸索橋一般采用縱向飄浮體系。在縱向地震作用下,主梁將產(chǎn)生較大的縱向位移,塔底承受的彎矩也很大[3]。因此,通過對結(jié)構(gòu)的自振特性進行分析,合理簡化計算模型得到地震作用下結(jié)構(gòu)的位移及內(nèi)力響應(yīng),力爭采取有效的減震措施成為自錨式懸索橋抗震設(shè)計的重要工作。

        2 工程概況及建模

        2.1 工程概況

        云龍灣大橋銜接益州大道錦江南北兩岸,采用(30+80+205+80+30)m五跨雙塔自錨式懸索橋,寬為48.5m,按雙向八車道+非機動車道+人行道設(shè)計。橋塔總高度約70m,橋面以上部分高51m,采用C50 鋼筋砼結(jié)構(gòu)。主梁按縱、橫梁體系設(shè)計,梁體材料采用Q345qD,左右兩片縱梁間距為40m,橫梁間距為3.3m;鋼縱梁寬3.8m,中心高3.1m。全橋共設(shè)2 個主纜,62 個吊索。

        2.2 建模概況

        在進行動力特性計算之前,需進行非線性靜力分析以確定主纜和吊桿的索力,以此保證結(jié)果的準確性,然后在靜力分析的基礎(chǔ)上計入重力剛度的影響進行動力特性分析。結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)計算模型應(yīng)滿足下列要求:

        (1)模型中的梁體和墩柱采用空間梁單元模擬,主纜和吊索單元采用空間桁架單元,單元采用集中質(zhì)量代表。

        (2)墩柱和梁體單元劃分反映結(jié)構(gòu)的實際動力特性。

        (3)懸索橋的阻尼比取0.02;進行時程分析時,采用瑞利阻尼。

        (4)考慮永久作用下結(jié)構(gòu)幾何剛度、纜索垂度效應(yīng)等幾何非線性影響。

        對于支座和阻尼器:粘滯阻尼器采用阻尼系數(shù)C=3000kN/(m/s),阻尼指數(shù)=0.5,單個阻尼器的最大阻尼力Fmax=1200kN,最大縱向位移為350mm。選取豎向承載力分別為6MN 和1.5MN 的JQZ(Ⅱ)球型支座,球形支座水平承載力為豎向承載力的15%,所有支座在縱橋向的位移量取200mm,雙向支座橫橋向位移量取50mm。結(jié)構(gòu)動力模型如圖1 所示。

        圖1 主橋模型簡圖

        2.3 動力特性分析

        自振頻率大小是結(jié)構(gòu)整體剛度的表征,自振頻率值由小到大的排列,反映了橋跨結(jié)構(gòu)不同振型對應(yīng)的整體剛度抵抗對應(yīng)模態(tài)失穩(wěn)能力的排序。本橋采用多重Ritz 向量法進行特征值分析,Ritz 向量階數(shù)總共為300,且所有振型的質(zhì)量參與都達到90%以上,其中在平動方向的振形參與質(zhì)量均大于99%。其主要的振形和模態(tài)(主要為平動方向)如下表1 和圖2 所示。

        圖2 云龍灣大橋土層場地設(shè)計地震加速度時程圖(P50=10%)

        表1 結(jié)構(gòu)自振特性分析結(jié)果表

        懸索橋?qū)偃嵝越Y(jié)構(gòu),大跨度懸索橋的一階周期可以達到10~15s。自錨式懸索橋介于懸索橋和斜拉橋之間,通常一階周期在5~10s 之間或者稍短[4-5]。因橋塔剛度較大,一階周期2.663s,且一階振型為橋梁整體縱飄,說明本橋結(jié)構(gòu)縱向約束剛度較小,充分體現(xiàn)了懸索橋結(jié)構(gòu)的柔性特征。

        3 地震作用

        3.1 地震動參數(shù)

        根據(jù)云龍灣大橋地震安評報告:橋址抗震設(shè)防烈度7 度,設(shè)計基本地震加速度值0.10g,設(shè)計地震分組為第三組,設(shè)計特征周期0.45s,建筑場地類別為II 類。

        表2 云龍灣大橋場地設(shè)計地震反應(yīng)譜參數(shù)表(5%阻尼比)

        本橋計算所用的地震動加速度時程數(shù)據(jù)是采用地震安評的結(jié)果:對應(yīng)于50 年超越概率10%、5%、2%和1%四個概率水準,其中每一個概率水準合成三條時程,分別對應(yīng)于三個不同的隨機相位,時程采樣步長為0.02 秒,10%,2%的概率水準如圖3~4。

        圖3 云龍灣大橋土層場地設(shè)計地震加速度時程圖(P50=2%)

        3.2 結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

        考慮相對安全的設(shè)計,本橋的地震波同時輸入縱橋向、橫橋向、豎向的作用。對同一條地震波,橫橋向峰值加速度取0.85 倍縱橋向峰值加速度,豎向峰值加速度修正為0.65 倍水平向的峰值加速度。最終分析計算采用地震安評報告提供的三組加速度時程數(shù)據(jù),結(jié)果取三組計算結(jié)果的包絡(luò)值。

        E1、E2 地震作用分析時,由于非線性分析過程不能使用荷載組合的形式考慮結(jié)構(gòu)恒載,可通過實變靜力荷載的方式,將恒載看作是活載并在1s 內(nèi)作用到橋梁上。因而模型可以考慮橋梁受恒載和地震共同作用的結(jié)果。

        3.2.1 E1 地震作用

        選取設(shè)計加速度時程50 年超越概率10%的數(shù)據(jù),每個數(shù)據(jù)間隔0.02s,將地震作用時間設(shè)定為40s,其時程函數(shù)的三組數(shù)據(jù)如圖5 所示。

        圖4 水平向的一組加速度時程(50 年超越概率10%)(m/s2)

        圖5 水平向的一組加速度時程(50 年超越概率2%)(m/s2)

        E1 地震作用下,加勁梁梁端順橋向最大位移146.6mm,橋塔處加勁梁順橋向最大位移148.9mm。

        由于橋塔沒有下橫梁,加勁梁在橋塔處設(shè)置橫向限位裝置和縱向阻尼器之后,梁端最大順橋向位移20.4mm,橋塔處加勁梁橫橋向最大位移2.6mm,順橋向最大位移19.3mm,且加勁梁橫、縱橋方向最大位移并未發(fā)生在同一時刻。

        E1 地震下,主纜、吊索的內(nèi)力、應(yīng)力如表3 所示。

        表3 E1 地震下主纜、吊索內(nèi)力、應(yīng)力表

        E1 地震作用下南、北橋塔橋墩底部的軸力響應(yīng)相差不大,彎矩相差較大,其中北塔較大,增加阻尼器以后最大軸向壓力1.1×105kN,最大順橋向彎矩2.1×105kN·m,最大橫橋向彎矩2.6×105kN·m。

        3.2.2 E2 地震作用

        選取設(shè)計加速度時程50 年超越概率2%的數(shù)據(jù),每個數(shù)據(jù)間隔0.02s,將地震作用時間設(shè)定為60s,其時程函數(shù)的三組數(shù)據(jù)如圖6 所示,

        E2 地震作用下,加勁梁梁端順橋向最大位移258.8mm,橋塔處加勁梁順橋向最大位移263.3mm。

        由于橋塔沒有下橫梁,加勁梁在橋塔處設(shè)置橫向限位裝置和縱向阻尼器之后,梁端最大順橋向位移39.0mm,橋塔處加勁梁橫橋向最大位移6.3mm,順橋向最大位移38.3mm,且加勁梁橫、縱橋方向最大位移并未發(fā)生在同一時刻,橫橋向先到達最大位移。

        E2 地震下,主纜、吊索的內(nèi)力、應(yīng)力如表4 所示。

        表4 E2 地震下主纜、吊索內(nèi)力、應(yīng)力表

        E2 地震作用下南、北橋塔橋墩底部的軸力響應(yīng)相差不大,彎矩相差較大,其中北塔較大,增加阻尼器以后最大軸向壓力1.2×105kN,最大順橋向彎矩4.4×105kN·m,最大橫橋向彎矩5.4×105kN·m。

        3.2.3 橋塔關(guān)鍵處截面驗算

        橋塔受壓彎作用最大處在墩底,考慮到橋墩底部為實心部分,因此選取橋墩底部第一節(jié)空心段為驗算的關(guān)鍵截面。

        表5 橋墩底部截面在地震作用下的承載力驗算(內(nèi)力大小為絕對值)

        由上可知E1、E2 地震作用下,橋塔墩底部截面的承載能力處在線彈性階段,滿足抗震設(shè)計要求。

        4 抗震措施

        對云龍灣大橋,除滿足《公路橋梁抗震設(shè)計細則》中的抗震設(shè)防要求外,主橋為漂浮體系的自錨式懸索橋,且橋塔無下橫梁,加勁梁需在橋塔位置增設(shè)橫橋向限位裝置和阻尼器,避免加勁梁發(fā)生較大的橫、縱橋向的位移。

        在E2 地震作用下,主纜和吊索的安全系數(shù)均在3 以上,且橋塔關(guān)鍵截面處于線彈性階段,所以無需過多考慮結(jié)構(gòu)在塑性階段的設(shè)計。本橋共設(shè)置4 個粘滯阻尼器(每根塔柱布置1 個),在E2 地震作用下能很明顯的減小加勁梁的縱向位移,已滿足抗震需求。

        5 結(jié)論

        本文采用有限元法對云龍灣特大橋進行有限元建模分析。結(jié)合橋梁地震安評結(jié)果,對云龍灣大橋進行E1、E2 地震作用驗算,驗算結(jié)果均滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。同時計算可知選擇的阻尼器能夠有效地控制結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力,達到減震的作用。

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