淮安大桥主桥的地震响应时程分析

第 29 卷第 5 期
陈启飞, 等: 淮安大桥 主桥的地震响应时程分析
10 5
图( 图 2) , 其余各阶振型图见文献[ 5] 。
表 1 淮安大桥有限 元模型模态分析结果
振型阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
振型频率( Hz) 0 089233 0 26848 0 28443 0 39511 0 46116 0 47343 0 48451 0 49296 0 54920 0 54922
本文以淮安大桥为工程背景, 利用桥梁结构非 线性地震响应时程分析方法, 采用大型通用有限元
[ 收稿日期] [ 基金项目]
2007 01 09 国家自然科学基金资助项目( 50378017) 教育部高等学校科技 创新 工程重 大项目 培育资 金 资助项目( 704024)
分析软件对大跨度预应力混凝土斜拉桥的地震响应 进行了分析。 2 工程背景
采用时程分析法进行淮安大桥地震响应分析。 地震动输入选用与淮安大桥桥址附近同类地质条件 相接近的 El Centro 波[ 3~ 4] , 对其在偶遇地震 和罕遇 地震下的地震加速度峰值分别进行调整, 输入时不 计相位差影响。其中, 各方向地震动输入加速度时 程曲线见图 3。 5 3 时程反应分析结果
淮安大桥是宿淮高速公路上的一座特大桥, 位 于宿淮高速公路、宁淮高速公路及淮安西环的共线 段上。桥梁全长 2062m, 双向六车道, 其中主桥全长 674m, 跨径布置 152m+ 370m+ 152m, 为三跨连续预 应力混凝土双塔双索面斜拉桥, 全漂浮体系, 引桥为 5~ 7 孔一联的预应力混凝土组合箱梁, 标准跨径为 35m。边、中跨之比为 0 4108。桥塔呈 H 形索塔, 预 应力混凝土结 构, 27 号墩处塔高 142 10m, 28 号墩 处塔高 137 10m ( 桥塔 编号 从北 向南 分 别为 27# , 28# ) 。索 塔 基 础采 用 群 桩基 础, 每 塔布 置 46 根
第 29 卷第 5 期 2007 年 10 月
工程抗震与加固改造 Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting
[ 文章编号] 1002 8412( 2007) 05 0103 06
Vol. 29, No 5 Oct. 2007
淮安大桥主桥的地震响应时程分析
2. Engineering I nstitute of Engineer Corp s, PLA University of Science and Technology , Nanjing 210007, China)
Abstract: Huai an Bridge is a long span prestressed concrete cable stayed bridge built on Suqian Huai an Expressway. It is the widest one of the same type bridges in China now. With the help of modeling technology by ANSYS software, a three dimension model of the bridge is established. Based on the model, modal analysis and seismic response under different earthquake input types with spatial nonlinear time historic analysis are carried out. Research results show that seismic response of key sections in Huan an Bridge satisfies the requirements of design, and provides reference values for seismic response and control measurements for long span prestressed concrete cable stayed bridges. Keywords: long span cable stayed bridge; prestressed concrete; modal analysis; seismic response; time history analysis
在对大跨度斜拉桥进行地震响应分析之前, 需 要先了解其动力特性。在上述有限元模型基础上, 采用 ANSYS 软件 对该桥 的动力 特性 进行了 分析。 表 1 列出了淮安大桥前 10 阶振型的频率和振型特 点。限于篇幅, 本文只给出前 4 阶振型的三维显示
图 2 淮安大桥前 4 阶振型图 Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting October 2007
陈启飞1, 2 , 李爱群1 , 王 浩1, 李建慧1 ( 1 东南大学土木工程学院, 江苏 南京 210096; 2 解放军理工大学工程兵工
程学院, 江苏 南京 210007)
[ 摘 要] 淮安大桥 是宿淮高速公路上的一座大跨度 预应力 混凝土 斜拉桥, 其宽 度在目 前国内 同类型 桥梁中 位居第一 。利 用 ANSYS 软件建立了淮安大桥的三维有限元 模型, 并对其 动力特 性进行 了分析。 在此基 础上, 应 用空间 非线 性时程 分析 方 法, 对淮安大桥在不同地震动输入方式下的地 震响应进行了计算分析。研究结果表 明, 淮 安大桥主桥 关键截面 的地震响应 在 设计允许的范围内, 对大跨度预应力混凝土斜 拉桥的地震响应分析并采取相应的控制措施具有一定的借鉴意义。 [ 关键词] 大跨斜拉桥; 预应力混凝土; 模态分析; 地震响应; 时程分析法
在地震响应分析中, 必须谨慎考虑非线性问题。 一般来说, 对于大跨度桥梁, 以恒载下的非线性静力 分析为基础, 在恒载变形状态下( 此时结构已具有较 大的刚度) 进行地震响应分析。在地震响应分析中, 可对几何非线性进行近似考虑, 即只考虑斜拉桥缆 索的弹性模量修正和恒载作用下的几何刚度[3] 。在 模型建立过程中, 利用 Ernst 公式[ 4] 对淮安大桥斜拉 索的弹性模量进行了修正。 4 动力特性分析
1 04
工程抗震与加固改造
2007 年 10 月
拉桥桥面全宽 38 6m, 其中两侧锚索区各 1 3m。该 桥是目前我国同类型桥梁中最宽的一座特大型斜拉 桥。
主梁混凝土强度 等级为 C60, 预应力钢 绞线采 用 j 15 24, 270 级, 标准强度 1860MPa, 预应 力粗钢 筋采用 l 32 精轧螺纹粗钢筋, 标准强度 785MPa。 3 动力计算模型 3 1 脊骨梁模型
1 引言 斜拉桥以其与众不同的结构形式, 带给人们异
样的视觉效果和美感享受[1] 。随着科学技术的进步 和我国经济实力的增强, 斜拉桥尤其是大跨度斜拉 桥在我国得到了迅速的发展, 为交通事业的发展进 步作出了重要贡献。我国是一个多地震的国家, 随 着跨径的增大, 桥梁的地震响应也越来越复杂。如 何保证大跨度斜拉桥在建设和运营阶段的抗震安全 性, 就成为摆在桥梁设计和研究工作者面前的一个 重要课题。
轴。沿 x 轴正向为 28# 塔, 沿 x 轴负向为 27# 塔。 全桥共有节点 540 个, 单元 787 个。
根据该模型特点和 ANSYS 软件中预应力施加 方法, 主梁中各根预应力筋的作用采用等效荷载法 施加在主梁各个节点上, 以作为预应力筋对主梁产 生的等效荷载。预应力损失按规范[ 2] 要求取值。 3 2 几何非线性
[ 中图分类号] U448 27;TU311 3
[ 文献标识码] A
Time history Analysis on Seismic Response of Huai an Bridge
Chen Qi f ei1, 2 , Li Ai qun1 , Wang H ao1 , Li Jian hui1 ( 1. College of Civil Engineering , Southeast University , Nanjing 210096, China;
( 1) 由于淮安大桥采用全漂浮体系, 而且跨度很 大, 故其自振频率很小, 基本周期很长, 约 11s, 其第 一振型为纵漂振型, 这对于结构在地震作用下的反 应十分有利。
( 2) 一阶对称侧弯和一阶对称竖弯振型对地震 响应有很大影响, 分别出现在第二、三阶。
( 3) 对塔柱横桥向地震响应贡献最大的是塔柱 侧弯振型, 出现在第 7~ 9 阶, 频率在 0 5Hz 左右。 5 地震响应时程分析
根据设计图, 采 用大 型有 限元 通用 分 析软 件 ANSYS 建立了淮 安大桥三维有 限元动力计算 模型 ( 如图 1 所示) 。在该脊骨梁模型中, 主梁和塔采用
图 1 淮安大桥动力计算模型
Beam4 单元进行模拟, 斜拉索采用 Link10 单元模拟。 边界条件处理为: 主梁与边墩之间的连接支座处理 为铰接, 主梁与塔的中横梁之间的位移进行耦合, 塔 底固结。取纵桥向为 x 轴, 横桥向为 y 轴, 竖向为 z
250cm 的钻孔灌注桩, 27、28 号塔桩长分别为 90m 和 95m, 均为摩擦桩, 承台厚 6m。主桥各塔均布置 31 对索以及纵、横桥向限位装置。过渡墩采用柱式 墩, 柱间距为 9m。边跨过渡墩侧设抗拉压支座。斜
Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting Vol. 29, No. 5 2007
为了保证淮安大桥的抗震安全性, 在上述动力 计算模型的基础上, 本文采用动力时程分析法对大 桥控制截面的地震响应进行了分析。 5 1 场地环境
根据!中国地震动参数区划图∀( GB18306 2001) 和中国地震局地壳应力研究所完成的淮安大桥!地 震安全性评价报告∀( 2000 年 3 月) , 桥址区地震基
基于 ANSYS 的瞬态动力学分析功能, 对淮安大 桥在上述偶遇 地震作用下的响应进行 分析的过程
中, 考虑了结构在恒载作用下的几何刚度, 结构的阻 尼比 N = 0 012[ 2] , 时间步长 t = 0 02s, 为便于分析, 共计算 2048 时步, 计算Βιβλιοθήκη Baidu时间为 40 96s。
地震动输入分别采用纵向+ 横向, 纵向+ 竖向 和纵向+ 横向+ 竖向同时输入三种组合方式[6] 。在 这三种输入方式下, 淮安大桥部分关键截面应力响 应的最大值见表 2。图 4 给出了偶遇地震作用下在 纵向+ 横向+ 竖向输入( 最不利输入) 情况下, 该桥 部分关键截面位移响应的时间历程曲线。
Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting October 2007
第 29 卷第 5 期
陈启飞, 等: 淮安大桥 主桥的地震响应时程分析
振型特 点 主梁纵 漂 主梁一阶对 称侧弯 主梁一阶对 称竖弯 主梁一阶反对称竖弯 塔梁反对称侧弯 主梁一阶对 称扭转 27# , 28# 塔同向侧弯 27# , 28# 塔反向侧弯 28# 塔 2 个塔柱反向侧弯 27# 塔 2 个塔柱反向侧弯
对上述前 10 阶频率和振型进行分析和比较, 可 得到以下规律性结论:
图 3 偶遇地震作用下地震动输入加速度时程 Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting Vol. 29, No. 5 2007
1 06
工程抗震与加固改造
2007 年 10 月
本烈度为 7 度。最终确定淮安大桥地震基本烈度为 7 度( 偶遇地震) , 抗震设防标准为 8 度( 罕遇地震) 。 结合该桥场地地质条件, 根据!公路工程抗震设计规 范∀确定取规范中的 #类场地。 5 2 地震动输入