天津慈海桥摩天轮结构的抗震性能分析

第38卷第2期建　筑　结　构2008年2月天津慈海桥摩天轮结构的抗震性能分析朱礼敏　宋　涛　马　明(中国建筑科学研究院建筑结构研究所　北京100013)[提要]　对天津慈海桥摩天轮结构的抗震性能进行了分析,采用振型分解反应谱法和弹性时程分析法分别计算多遇地震下结构的内力和变形,从地震波的加速度谱和功率谱两方面分析了比较结果,将反应谱结果考虑一增大系数后进行结构校核。

采用弹塑性时程分析法进行了罕遇地震作用下的分析。

分析结果表明,结构的变形和强度均满足要求,抗震性能良好。

[关键词]　摩天轮结构　抗震性能　反应谱　时程分析Seismic B ehavior of Skyscraper Wheel Structure in Tianjin Cihai B ridge ΠZhu Limin ,S ong T ao ,Ma M ing (Institute of Building S tructures ,China Academy of Building Research ,Beijing 100013,China )Abstract :The seismic behavior of the skyscraper wheel structure in T ianjin Cihai bridge is ing m ode 2superposition response spectrum meth od and elastic time 2history analysis meth od ,the internal force and deformation of the structure under frequent earthquake are calculated and com pared.The com paring results are researched by acceleration spectrum and power spectrum of earthquake waves ,and the results of response spectrum considering a magnifying coefficient are applied to check the structure.The elastoplastic time 2history analysis meth od is used to calculate rare earthquake action.The results indicate that the deformation andstrength of the structure can satis fy requirements ,and it has fav orable seismic behavior.K eyw ords :skyscraper wheel structure ;seismic behavior ;response spectrum ;time history analysis1　工程概况天津慈海桥位于天津市河北区、红桥区交界处的子牙河上。

在主桥中央的河面上,竖立起直径为110m 的摩天轮和两个高度达65m 的人字形钢结构塔架,塔架顶部通过横梁连接,横梁同时也作为摩天轮的支承主轴,结构的顶点高度为11918m 。

摩天轮的转动轮盘由辐射状拉索和轮箍组成,轮箍采用三角形断面的钢管桁架,与横梁通过48根交替布置的径向索相连,同时在轮箍上布置16根沿回转轴切向的切向索作为驱动索。

人字形塔架的两肢塔腿和上部塔柱互成120°,沿一个与竖平面夹角91624°的倾斜平面布置,塔腿底部固接,采用桩承台基础。

主桥分为上、下两层,上层桥面中间开口,摩天轮从开口处转下,登轮站台设在下层桥面。

摩天轮结构的立面布置见图1,其中塔架采用矩形截面4000×3500,横梁直径2800mm ,轮箍主管为<530和<457,拉索直径70mm ,主体结构采用Q3452D 级钢,拉索采用1670MPa 级半平行钢丝束。

结构及构件的详细情况见文[1]。

工程体型较大,形状复杂,边界条件不规则,荷载情况复杂,需要对其抗震性能进行深入分析。

2　地震作用分析工程所在地抗震设防烈度为7度,设计基本地震图1　结构立面布置加速度值0115g ,场地类别为Ⅲ类,设计地震分组为第一组。

根据《建筑抗震设计规范》(G B50011—2001)(简称《抗震规范》)的要求,应进行多遇地震下的弹性内力和变形分析,宜进行罕遇地震下的弹塑性变形分析。

文中采用振型分解反应谱法和弹性时程分析法进行多遇地震计算,并对两者结果进行比较;罕遇地震下则采用弹塑性时程分析法计算。

反应谱采用《抗震规范》规定的地震影响系数曲线,结构阻尼比取0102。

根据场地类别和设计地震分组,选用E l Centro 波、T aft 波和天津宁河波进行时程分析,地震波的峰值加速度多遇地震下取55cm Πs 2,罕遇地震下取310cm Πs 2,持续时间均为20s 。

分别在结构的两个主轴方向计算地震作用。

73　多遇地震分析311计算模型计算采用ANSY S软件。

两个主轴方向分别设为x 向(顺桥向)和y向(横桥向)。

径向索和切向索均采用Link8单元;轿厢及轿厢活载按照《抗震规范》要求,取“轿厢自重+015×轿厢活载”作为重力荷载代表值,采用M ass21单元模拟;底部支座采用C ombin14单元,其中由于轮盘底部的实际构造允许其在y向有一定的自由位移,故可先假设轮盘底部在y向是自由的,即认为结构在横桥向与桥面没有相互作用,这一假设经后文的计算证明是合理的;其余构件均采用Beam44单元。

整体结构的计算模型见图2。

312模态分析结构的前20阶自振频率见表1,1～6阶振型见图2。

由表1可知,由于轮盘部分为预张拉索体系,属柔性结构,结构周期相对较长。

由图2也可看出,轮盘部分刚度较弱,多数振型以轮盘自身振动为主。

故从概念上推论,在地震作用下轮盘部分的内力应该不大,地震力影响可能主要体现在人字形塔架和横梁上。

结构前20阶自振频率(H z)表1阶数12345678910f0.3530.4810.5210.6360.6840.692 1.111 1.111 1.133 1.285阶数11121314151617181920f 1.788 1.977 2.008 2.524 2.770 2.770 2.868 3.533 3.534 3.825313结果比较由于振型分布密集,为使参与组合的振型质量参与系数达到总质量90%以上,反应谱分析取前180阶振型进行组合。

由于索和轮箍构件的变形较大,时程分析中考虑了几何非线性。

根据y向的反应谱和时程分析结果,轮箍底部的y向最大位移均远小于自由位移允许值,说明前文的假设是合理的。

11基底剪力两种方法得到的基底剪力比较见表2。

由表可知,无论在x向还是y向,每条波时程分析所得的基底剪力均大于反应谱结果的65%,并且3条波的平均值大于反应谱结果的80%,满足《抗震规范》要求。

其中y向波的平均值略大于反应谱结果。

时程分析与反应谱的基底剪力比较表2类别x向y向基底剪力(kN)与反应谱比基底剪力(kN)与反应谱比E l Centro波17260.849510.93 T aft波19730.961115 1.10宁河波2328 1.131469 1.44平均值20090.981178 1.16反应谱2055—1018—图2　结构前6阶振型 21横梁最大位移两种方法计算的横梁最大位移见表3。

由表可知,时程分析得到的横梁最大位移平均值大于反应谱的结果。

时程分析与反应谱的横梁最大位移(mm)比较表3地震作用方向横梁最大水平位移El Centro波T aft波宁河波平均值反应谱平均值反应谱x向u x16.2618.8332.7222.6015.22 1.48 y向u y20.2019.1840.6326.6721.09 1.2631主要构件内力分别选取人字架塔腿、塔柱,横梁,轮箍内弦杆、外弦杆和腹杆,径向索,切向索等单元,将时程分析的单元节点最大内力与相应的反应谱结果进行比较。

比较发现,无论在x向还是y向的地震作用下,时程分析和反应谱得到的结构内力分布规律相同,索与轮箍杆件内力均较小,地震作用主要集中在塔腿、塔柱以及横梁。

进一步比较构件内力后发现,时程分析和反应谱的结果比较接近,且前者一般大于后者。

表4列出了塔腿、塔柱和横梁单元的主要内力。

上述比较发现,时程分析的大部分结果大于反应谱的,这是因为:1)采用Bispec程序计算得到3条波的加速度谱,与《抗震规范》反应谱进行比较(见图3)可以看出,在参与组合的前180阶振型周期范围(0106～2183s)内,3条波的加速度谱值平均比《抗震规范》反应谱大;2)采用M atlab程序对3条波进行了傅立叶分析,得到功率谱曲线如图4所示,由图可得,E l Centro波的17卓越频率为01350,11151和11452H z ,T aft 波的为11151,11401和21853H z ,宁河波的为01751,11151和11952H z 。

通过与表1比较,每条波的卓越频率都对应有各自相近的结构自振频率,能激发产生相应的“类共振”,导致结构反应加大。

时程分析与反应谱分析的内力表4单元塔腿塔柱横梁节点内力轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩x向y向El Centro 波4861942164—2751805—4331417Taft 波5042122317—3141929—4851576宁河波8003243515—4803352—7722749平均值5972432665—3562362—5631914反应谱5582372526—2561716—3971355平均值Π反应谱 1.07 1.03 1.06— 1.39 1.38— 1.421.41El Centro 波462233547150115556431785065021Taft 波492259613453015441671625343527宁河波1005400113131072236764531410777712平均值653297763970118258182187065420反应谱541227565353818353022135415319平均值Π反应谱1.21 1.31 1.35 1.300.99 1.10 1.02 1.30 1.02 注:轴力、剪力的单位为kN ,弯矩单位为kN ・m 。

图3　加速度谱比较314结构校核在进行结构校核时,采用反应谱计算结果,为保证结构安全,应考虑一增大系数,根据表2～4的比较,系数取115。