单塔悬索_刚构_连续梁组合桥抗震性能分析

7 3.353 9
主塔纵弯
3.377 2 体系对称横弯
8 3.377 4
体系对称横弯 3.591 7 体系反对称横弯
9 3.591 8 10 3.814 8
体系反对称横弯 1 号桥墩纵弯
3.814 8 1 号桥墩纵弯
4.071 2
主梁反对称竖弯 + 纵飘
3）桥梁各阶振型中， 以顺桥向振型居多， 横桥向 振型较少， 与桥型本身结构特点较为一致。
由于该桥采用分离式整体断面， 建模时取其中 一幅桥进行分析。 采用具有自定义变截面功能的 Beam188空间梁单元来模拟变截面主梁； 桥墩与桥塔 也采用Beam188空间梁单元来模拟 。 主缆、 吊杆用 施加初应变的Link10单元， 主缆、 吊杆与主梁相应结 点采用刚臂连接， 构成 “鱼骨刺” 模型。 桥面铺装 等二期恒载转化为集中质量单元Mass21附加在主梁的 节点上， 分析时忽略该单元的转动质量。
T ＞ Tg
Smax = 2.25Ci Cs Cd A
式中 ： 场 地 特 征 周 期Tg为0.35 s； 抗 震 重 要 性 系 数Ci
为1.7； 场地系数Cs为1.0； 阻尼调整 系数Cd为1.0； 水
平向设计基本地震动加速度峰值A为0.2g （g为重力加
速度）。
则： Smax = 2.25 × 1.7 × 1 × 1 × 0.2g = 0.765g 分析时采用的设计反应谱曲线如图4所示。
乌鲁木齐北一路桥位于乌鲁木齐经济技术开发
区二期延伸区域， 上跨小绿谷， 是一座大型单塔悬
索—刚构—连续梁组合桥。 桥型方案较为复杂， 特
别是悬索结构对于桥梁抗震性能的影响不容忽视。
为了探讨桥的抗震性能， 采用大型通用有限元
软 件ANSYS， 结 合 桥 的 结 构 特 点 ， 建 立 桥 梁 的 空 间
向振动形式为主； 2号主墩墩底截面受力最为不利， 为全桥抗震设计的控制截面； 塔柱在地震作用下塔底面外内力响
应、 塔顶面外位移响应较大， 在设计时要引起足够重视。
关键词： 组合体系桥； 抗震性能； 地震响应； 反应谱分析法； 时程分析法
中图分类号： U448.216.255
文献标识码： A
文章编号： 1004-4655 （2010） 03-0086-04
1）地震波的选择及相关参数。 结合地形地质条 件 ， 本 文 选 取 了 国 际 上 常 用 的El-Centro波 、 Taft波 、 San-Fernando波3组 地震波 进 行 分 析 。 同 样 ， 分 析 时 考虑顺桥向与横桥向水平地震同时作用， 不考虑竖 向地震作用。
本桥顺桥向为东西走向， 分析时顺桥向输入东 西向地震波， 横桥向输入南北向地震波； 地震波持 续时间取20 s， 时 间间隔0.02 s； 分 析 时 各 条 地 震 波 峰 值 加 速 度 均 调 幅 至 0.2g； 因 桥 梁 所 在 场 地 地 质 连 续， 无明显不同地貌特征， 分析时只考虑一致激励 的情况； 结构阻尼采用Rayleigh阻尼， 总体阻尼比为 0.05。
摘要： 以乌鲁木齐市乌鲁木齐北一路桥为研究对象。 根据该桥的结构特点， 采用两阶段分析法的思路， 建立了桥梁空
间有限元分析模型， 分析了该桥的动力性能； 采用反应谱分析法、 时程分析法计算了桥梁结构在设计反应谱、 3条典型
地震波作用下的地震响应， 较为全面地分析了该桥的抗震性能。 计算结果表明： 该桥整体刚度较大， 桥梁振动以顺桥
与常规悬索桥不同的是： 该桥主要承重体系为 变截面连续梁， 索结构仅起辅助作用， 受力并不大， 相比主梁其刚度很小。 因此， 如果直接对带索模型 进行模态分析、 谱分析、 时程分析， 模型所有低频 模态将全部被柔性索的振动型态占据， 不能反映桥 梁整体动力特性， 导致计算结果与实际情况有较大 差别。
第 3 期（总第 146 期） 2010 年 6 月
CHINA MUNICIPAL ENGINEERING
No.3 （Serial No.146） Jun. 2010
单塔悬索—刚构—连续梁组合桥抗震性能分析
黄 文 雄1， 2， 杨 宏 印1， 谭 利 英3， 张 海 龙1
（1． 华中科技大学土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074； 2．长江大学城市建设学院， 湖北 荆州 434023； 3． 荆州城市规划设计研究院， 湖北 荆州 434000）
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黄文雄， 杨宏印， 谭利英， 等： 单塔悬索—刚构—连续梁组合桥抗震性能分析
2010 年第 3 期
4.2 桥梁地震响应反应谱分析法
阻尼比为0.05的水平设计加速度反应谱为：
S≤
≤ ≤
max
（5.5T + 0.45）
≤
S = S≤≤
≤ ≤
max
≤
S≤
≤≤ ≤
max
（Tg /T）
T ＜ 0.1 s 0.1 s ≤ T ≤ Tg
桥梁边界条件为： 所有桥墩墩底固结； 2号主墩 墩顶与墩顶主梁刚结， 1号、 3号简支墩与墩顶主梁 采用主从约束， 主梁两端为铰支座。 建模时采用的 主要参数如表1所示， 有限元模型如图2所示。
表 1 主要材料参数
构件
材料
弹性模量 E /Pa
泊松比 μ
密度/ kg·m-3
备注
箱梁 C50 混凝土 3.45×1010 0.2
1 工程概况与场地条件
桥型采用分离式双幅自锚式单塔悬索—刚构—
连续梁组合体系 （见图1）。 跨径组合为55.0 m + 83.0 m +
83.0 m + 55.0 m， 设计荷载为公路Ⅰ级。
55 000
83 000
83 000
55 000
17 873 23 323 25 000 11 199
图 1 乌鲁木齐北一路桥桥型布置图
桥墩 C30 混凝土 3.0×1010 0.2
桥塔 钢材 Q235 2.06×1011 0.3
主缆
PES5-109 平行钢丝
2.05×1011
0.3
吊杆
PES5-19 平行钢丝
2.05×1011
0.3
刚臂
刚臂
1×1016
0
2 600
-
2 500
-
7 850
-
7 850 A = 0.002 140 m2
4）桥梁塔柱的横向振动较为明显， 将会导致塔柱 产生较大横向位移， 从而进一步影响桥塔的受力， 在设计中须予以充分重视。 4 桥梁抗震性能分析 4.1 有效质量参与系数 f
采用反应谱法分析时所考虑振型阶数应在计算 方向上获得90%以上的有效质量。 本模型顺桥向、 横 桥 向 前100阶 振 型 累 计 有 效 质 量 参 与 系 数 f 如 图3所 示。
7 850 A = 0.0ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0 373 m2
0
-
图 2 桥梁有限元模型
3 桥梁动力性能 分别建立了桥梁不带索模型与带索模型， 分析
时提取振型数量为100阶。 其中前10阶频率与振型特 征如表2所示。
1）对比不带索模型与带索模型的结构 ， 振型基 本一致， 相应自振频率差别很小； 不带索模型第7阶 桥塔纵弯振型由于索的作用而在带索模型中被抑制， 与桥梁结构特点一致。 可见不带索模型分析结果可 以给带索模型提供参考。
2）桥 梁 整 体 振 动 基 频 为0.887 3， 桥 梁 整 体 刚 度 较大， 与类似桥型实测频率较为接近。
表 2 桥梁结构动力特性计算结果
振型
不带索模型
阶次 频率/Hz
振型特征
带索模型
频 率 /Hz
振型特征
1
0.885 9
主梁反对称竖弯 + 纵飘
0.887 3
主梁反对称竖弯 + 纵飘
2
1.397 2
f /%
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
图3
顺桥向累计有效质量参与系数 横桥向累计有效质量参与系数
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 振型n
北 一 路 桥 前 100阶 累 计 有 效 振 型 质 量 参 与 系 数
从 图3可 以 看 出 ， 前100阶 振 型 中 ， 对 顺 桥 向 地 震反应贡献最大的是第1、 2阶振型， 有效质量参与 系数分 别 为48.8%、 32.4%， 前25阶 振 型 累 计 有 效 质 量参与系数即达到91.9%， 100阶时达到95.8%； 对横 桥向地震反应贡献最大的是第7、 13、 20阶振型， 振 型有效质量 参 与 系 数 分 别 为38.4%、 14.8%、 10.6%， 前86阶 振 型 累 计 有 效 质 量 参 与 系 数 达 到91.2%， 100 阶 时 达 到91.5%。 所 以 本 文 采 用 前100阶 振 型 进 行 分 析是可行的。
3 号墩墩顶
右边跨跨中
轴力 /kN
面内弯矩 / kN·m
面外弯矩 /kN·m
因此， 本桥建模采用两阶段分析法， 即： 先对 不带索模型进行模态分析， 得到桥梁整体动力特性 频率范围； 再对带索模型进行指定频率范围的模态 分析， 得到真正体现桥梁整体动力特性的频率与振
黄文雄， 杨宏印， 谭利英， 等： 单塔悬索—刚构—连续梁组合桥抗震性能分析
2010 年第 3 期
型； 在此基础上进行桥梁地震响应反应谱分析、 时 程分析， 得到桥梁在地震作用下的内力响应与变形， 为桥梁的设计提供参考与依据。 2.2 建模原则与主要参数
有限元计算模型， 分析了桥梁的动力性能； 采用反
应谱法计算了桥梁结构在地震作用下的内力响应；
并结合地形地质条件选用El-Centro波、 Taft波、 San-
Fernando波， 采 用时程分 析法计算了 在3条 典 型 地 震