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        動(dòng)水對(duì)高速鐵路多跨矮塔斜拉橋地震響應(yīng)分析

        2021-07-12 09:40:18
        鐵道建筑技術(shù) 2021年6期
        關(guān)鍵詞:動(dòng)水墩底斜拉橋

        張 瑩

        (中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 上海 200070)

        1 引言

        隨著我國(guó)高速鐵路事業(yè)不斷發(fā)展,深水大跨橋梁越來(lái)越多,而深水橋梁的動(dòng)水壓力作用,也逐漸被研究人員所關(guān)注。

        曹新建等[1]采用附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)矩陣的解析解求解承臺(tái)上的動(dòng)水力,用Morison方程計(jì)算單樁上的附加質(zhì)量,并用群樁效應(yīng)系數(shù)修正單樁的動(dòng)水力來(lái)計(jì)算群樁的附加動(dòng)水力。張潔等[2]采用Morison方程和輻射波浪理論兩種方法考慮動(dòng)水壓力對(duì)深水橋墩進(jìn)行線性、非線性地震響應(yīng)分析,比較兩種方法計(jì)算出的動(dòng)水壓力對(duì)橋墩地震響應(yīng)的影響差異。王志鵬[3]以某深水庫(kù)區(qū)鐵路(140+350+200)m斜拉橋?yàn)檠芯繉?duì)象,分析動(dòng)水壓力對(duì)橋梁動(dòng)力特性及彈性地震反應(yīng)的影響程度。劉衛(wèi)華[4]以某高樁承臺(tái)基礎(chǔ)為工程背景,利用m法和附加質(zhì)量法模擬樁土及動(dòng)水壓力作用,對(duì)高樁基礎(chǔ)動(dòng)力特性及地震響應(yīng)進(jìn)行分析。邱冬[5]以某庫(kù)區(qū)深水高墩斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?,通過(guò)附加質(zhì)量法探討地震作用下不同水位的動(dòng)水力對(duì)大橋自振頻率和地震響應(yīng)的影響趨勢(shì)及大小,并分析斜拉橋在縱橫橋向地震波下的地震響應(yīng)。同時(shí),諸多學(xué)者對(duì)多跨矮塔斜拉橋的抗震性能進(jìn)行了研究[6-8],但鮮有多跨矮塔斜拉橋的動(dòng)水效應(yīng)對(duì)抗震性能影響的研究。

        本文以某高速鐵路深水庫(kù)區(qū)多跨矮塔斜拉橋?yàn)檠芯繉?duì)象,建立按附加質(zhì)量法考慮動(dòng)水壓力效應(yīng)的有限元分析模型,采用非線性時(shí)程分析法分析動(dòng)水壓力對(duì)橋梁動(dòng)力特性和地震響應(yīng)的影響程度。

        2 工程概況

        某新建高速鐵路多跨預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋,跨度為(48+118+2×228+118+48)m,中塔為塔梁墩固結(jié)體系,邊塔為塔梁固結(jié)體系,橋面寬14.1 m,邊支點(diǎn)梁高6.0 m,中支點(diǎn)梁高12.0 m,橋面以上塔高49.22 m。每個(gè)橋塔對(duì)稱設(shè)置9對(duì)斜拉索。橋墩為獨(dú)柱墩,樁基為柱樁。

        本橋場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為6度,地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g,場(chǎng)地類別為Ⅰ類,特征周期值為0.25 s。

        該橋位于水庫(kù)中,屬于高樁承臺(tái),承臺(tái)體積大且樁基自由長(zhǎng)度較長(zhǎng),因此應(yīng)考慮水對(duì)結(jié)構(gòu)抗震的影響。

        3 計(jì)算模型及模擬方法

        (1)計(jì)算模型

        采用MIDAS Civil有限元軟件,建立全橋三維空間動(dòng)力分析模型,如圖1所示??紤]相鄰結(jié)構(gòu)的影響,建立左右各一簡(jiǎn)支梁跨作為邊界條件。主梁、主塔、橋墩、承臺(tái)、樁基采用梁?jiǎn)卧M;斜拉索采用桁架單元模擬;支座采用彈性連接模擬,不考慮支座與梁底的摩擦作用效應(yīng),用m法建立土彈簧約束模擬樁土相互作用[9-10]。采用本工程地震安評(píng)報(bào)告所提供的罕遇時(shí)程波進(jìn)行計(jì)算,3條時(shí)程波中取最大值,其中1條時(shí)程波曲線如圖2所示。

        圖1 抗震計(jì)算模型

        圖2 時(shí)程波曲線

        (2)動(dòng)水壓力模擬

        我國(guó)鐵路規(guī)范[11]規(guī)定,梁式橋跨結(jié)構(gòu)實(shí)體橋墩,在常水位以下部分,當(dāng)水深超過(guò)5 m時(shí),應(yīng)計(jì)入地震動(dòng)水壓力對(duì)橋墩的作用,并給出圓形及圓端形橋墩動(dòng)水壓力計(jì)算公式;但并沒(méi)有給出其他類型截面形式的橋墩及樁基動(dòng)水壓力公式。公路規(guī)范[12]規(guī)定,對(duì)浸入水中的橋墩,在常水位以下部分,水深大于5 m時(shí),地震動(dòng)水壓力對(duì)橋梁豎向的作用可不考慮,對(duì)橋梁水平方向的作用,應(yīng)按附加質(zhì)量法考慮。綜上所述,地震動(dòng)水壓力效應(yīng)參考公路規(guī)范按附加質(zhì)量法施加。

        浸入水中的橋墩單位長(zhǎng)度水的附加質(zhì)量:對(duì)邊長(zhǎng)為2ax(m)和2ay(m)且水平向地震動(dòng)輸入沿x軸方向的矩形截面橋墩:

        式中:ma為橋墩單位長(zhǎng)度水的附加質(zhì)量(kg/m);k為矩形截面附加質(zhì)量系數(shù),按規(guī)范規(guī)定線性插值求取;ρ為水的質(zhì)量密度(kg/m3)。

        4 模型分析

        4.1 動(dòng)力特性分析

        本文以兩種荷載工況對(duì)動(dòng)水壓力的影響進(jìn)行對(duì)比分析:

        工況一:只考慮樁土相互作用,不考慮動(dòng)水壓力作用。

        工況二:同時(shí)考慮樁土相互作用和動(dòng)水壓力作用。

        兩種工況下結(jié)構(gòu)前10階模態(tài)的頻率、周期和振型特性如表1所示。

        表1 無(wú)水和有水作用下模態(tài)振型

        由表1可知,考慮動(dòng)水壓力作用后,結(jié)構(gòu)的自振頻率減小、自振周期變長(zhǎng),前8階振型基本一致,第9階振型滯后出現(xiàn),說(shuō)明動(dòng)水壓力對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定程度的影響,在深水橋梁設(shè)計(jì)時(shí)不能忽略。

        表2 考慮有水、無(wú)水工況不同地震作用下墩頂位移

        4.2 地震響應(yīng)分析

        (1)墩頂位移響應(yīng)

        由表2可知,縱向地震作用下,考慮動(dòng)水作用比不考慮動(dòng)水作用橋墩墩頂位移增長(zhǎng)最大為44.1%,出現(xiàn)在右塔墩位置;最小為0.03%,出現(xiàn)在右邊墩。在橫向地震作用下,考慮動(dòng)水作用比不考慮動(dòng)水作用墩頂位移有增有減,增長(zhǎng)最大為9.0%,出現(xiàn)在中塔墩位置;最小為-9.7%,出現(xiàn)在左輔助墩位置。

        (2)墩底內(nèi)力響應(yīng)

        由表3可知,在縱向地震作用下,對(duì)于墩底彎矩,動(dòng)水效應(yīng)系數(shù)最大增加25%,出現(xiàn)在右塔墩處,而左塔墩和右邊墩則彎矩減小,但減小值不超過(guò)3%。對(duì)于墩底剪力而言,動(dòng)水效應(yīng)系數(shù)最大為45.2%,出現(xiàn)在右塔墩處,唯有右邊墩剪力出現(xiàn)減小,但只減小了0.1%。

        表3 縱向地震作用下有水、無(wú)水工況橋墩墩底內(nèi)力響應(yīng)

        由表4可知,在橫向地震作用下,墩底彎矩的動(dòng)水效應(yīng)系數(shù)波動(dòng)范圍為-17.0% ~9.5%,墩底剪力的動(dòng)水效應(yīng)系數(shù)波動(dòng)范圍為-6.6% ~10.6%。

        可見動(dòng)水壓力對(duì)縱向地震作用產(chǎn)生的效應(yīng)明顯大于對(duì)橫向地震下的效應(yīng)。

        表4 橫向地震作用下有水、無(wú)水工況橋墩墩底內(nèi)力響應(yīng)

        5 結(jié)束語(yǔ)

        本文利用Midas Civil軟件,通過(guò)分析有水、無(wú)水作用下的高速鐵路多跨矮塔斜拉橋的動(dòng)力特性和地震響應(yīng),得出以下結(jié)論:

        (1)考慮動(dòng)水壓力作用后,結(jié)構(gòu)的自振頻率減小、自振周期變長(zhǎng),低階模態(tài)影響較小,高階模態(tài)會(huì)滯后出現(xiàn)。

        (2)基于本橋的動(dòng)水效應(yīng)系數(shù)最大為45.2%,動(dòng)水壓力作用對(duì)縱向地震的影響明顯大于對(duì)橫向地震的影響。

        (3)動(dòng)水力對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能產(chǎn)生了一定影響,在深水橋梁抗震設(shè)計(jì)時(shí),動(dòng)水效應(yīng)需要考慮。

        實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí),橋梁結(jié)構(gòu)體系不同、水深不同,動(dòng)水效應(yīng)系數(shù)也會(huì)有所不同。文中所得結(jié)論可為其他類似工程抗震設(shè)計(jì)提供借鑒。

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