懸索橋上部結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計

1、<p>　　懸索橋上部結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計</p><p>　　【摘要】大跨懸索橋必須進(jìn)行可靠的抗震設(shè)計。由于懸索橋第一自振周期長達(dá)幾十秒,有多達(dá)百余個自振周期密集在0.5～5 s區(qū)段內(nèi),現(xiàn)行橋梁抗震規(guī)范不適用于大跨懸索橋。配合交通部“公路懸索橋設(shè)計規(guī)范”編制的研究工作,討論了反應(yīng)譜5 s以上長周期段、反應(yīng)譜振型分解法的振型組合方式及應(yīng)組合的振型數(shù)、以及時程積分時的地震記錄的持續(xù)時間對大跨懸索橋地震反應(yīng)的影響

2、,發(fā)現(xiàn)它們的影響十分顯著。從而對懸索橋上部結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的某些要點(diǎn)提出建議。 </p><p>　　【關(guān)鍵字】懸索橋，上部結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)計 </p><p>　　中圖分類號： TU973+.31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： </p><p><b>　　一．前言 </b></p><p>　　近年來中國已設(shè)計了4座大跨懸索

3、橋。一些大跨懸索橋(以下簡稱懸索橋)正在規(guī)劃中。中國已積累了懸索橋設(shè)計施工的經(jīng)驗,有條件深入進(jìn)行大跨橋的科研。在此背景下,交通部開始編制“公路懸索橋設(shè)計規(guī)范”。由于懸索橋的結(jié)構(gòu)特性,其抗風(fēng)抗震問題尤為復(fù)雜。現(xiàn)有的橋梁的設(shè)計規(guī)范不適用于懸索橋。本文根據(jù)懸索橋的特點(diǎn)討論了懸索橋的抗震設(shè)計。作為作者研究工作的一部分,本文討論了有關(guān)反應(yīng)譜長周期分量及其影響、振型組合方法、參與組合的振型數(shù)、時程積分時地面加速度記錄持續(xù)時間及豎向地震分量的影響。

4、</p><p>　　二．兩座懸索橋的地震反應(yīng) </p><p>　　虎門橋采用了薄壁鋼箱梁,單跨888 m, RC橋塔高148 m。計算模型見圖1。青馬橋使用了桁架式雙層鋼加勁梁,連續(xù)三跨455 m+1 377 m+300 m，RC橋塔高206 m,計算模型見圖2。本文計算了兩座橋的前140階自振周期、振型及振型參與系數(shù)。 </p><p>　　圖1虎門橋計算模型

5、 </p><p>　　圖2 青馬橋計算模型 </p><p>　　選擇1940年El Centro和1994年Northridge地震Sandberg的三分量地面加速度記錄作為地震輸入。前者的強(qiáng)震儀周期99 ms,帶通濾波器通頻帶0.07～25 Hz,記錄長度53.74 s。后者的強(qiáng)震儀為SSA-1型,周期18.8 ms,帶通濾波器頻帶寬度0.09～48 Hz,記錄長度60 s。本文計算

6、了前者的0～20 s加速度反應(yīng)譜,后者帶有0～12 s加速度反應(yīng)譜。 </p><p>　　1．5 s以上長周期分量對兩座橋地震反應(yīng)的影響 </p><p>　　用反應(yīng)譜振型迭加法計算兩座橋?qū)l Centro3個分量前5 s及20 s反應(yīng)譜的反應(yīng),以及對Sand-berg 3個分量的前5 s及12 s反應(yīng)譜的反應(yīng)。表1給出2%阻尼時用CQC前100階振型組合時兩座橋典型的位移及內(nèi)力反應(yīng)。

7、由表中可看出虎門橋?qū)l Centro橫橋向分量的反應(yīng)中, 5 s譜給出的加勁梁跨中位移和彎矩分別僅為20 s譜的12%和66%, 5 s譜給出的索最大張力僅為20 s譜的89%。青馬橋?qū)andberg豎向分量的反應(yīng)中, 5 s譜給出的加勁梁跨中位移及彎矩僅分別為20 s譜的15%和85%, 5 s譜給出的索張力僅為20 s譜的28%, 5 s譜給出的塔頂位移及塔腿底部彎矩僅分別為20 s譜的33%和67%。 </p>

8、<p>　　考慮到兩種強(qiáng)震儀低頻段頻率響應(yīng)會下降,所以兩組反應(yīng)譜長周期段可能低于實際值,更遠(yuǎn)低于0.13下限。即使如此, 5 s以上長周期分量對兩座橋的反應(yīng)仍有巨大影響,證明懸索橋抗震用的反應(yīng)譜必須包含5 s以上的長周期段。 </p><p>　　2．設(shè)計反應(yīng)譜長周期段衰減規(guī)律 </p><p>　　由于懸索橋設(shè)計時使用設(shè)計反應(yīng)譜比使用具體地面運(yùn)動記錄的反應(yīng)譜更加合理,因此應(yīng)當(dāng)考

9、慮含長周期分量的設(shè)計反應(yīng)譜。關(guān)鍵問題是如何規(guī)定反應(yīng)譜長周期分量隨周期的衰減規(guī)律。為考慮不同衰減規(guī)律對懸索橋反應(yīng)的影響,以原譜為基礎(chǔ)建立了二種反應(yīng)譜:第一種譜是保持13%的下限限制,將譜推廣至20 s周期,第二種譜是取消13%的下限,使4條譜曲線按原有規(guī)律下降直至20 s周期。這三條譜都對應(yīng)5%阻尼。對8度烈度Ⅲ類場地,虎門橋?qū)Φ谝环N譜的反應(yīng)中,加勁梁中點(diǎn)位移及最大彎矩分別比原譜的大37%和91%。 </p><p&g

10、t;　　對第二種譜的反應(yīng)中,加勁梁中點(diǎn)最大彎矩比原譜大21%。Ⅰ類場地時,對第一種譜反應(yīng)中,加勁梁中點(diǎn)位移及最大彎矩分別比對原譜的大38%和164%,第二種譜給出的加勁梁中點(diǎn)位移和最大彎矩分別是原譜的36%和67%。這些結(jié)果表明,將13%的下限延到20 s會給出過大的內(nèi)力,但若在5 s內(nèi)取消13%下限而延至20 s,堅硬場地上橋的反應(yīng)可能過小。本文統(tǒng)計了1982～1984年唐山地震記錄、1985年墨西哥地震記錄及1994年Northri

11、dge地震記錄反應(yīng)譜長周期衰減規(guī)律,發(fā)現(xiàn)震中距增大、場地土變軟及烈度增大都使衰減變慢。 </p><p><b>　　3．振型組合方式 </b></p><p>　　三種振型組合方式用于計算兩座橋?qū)ι鲜鰞山M反應(yīng)譜的反應(yīng)。組合方式中除了SRSS和CQC外,還用了ABS組合,即對頻率比r>0.9的振型間用絕對值求和,r<0.9的振型間用SRSS。表2給出虎門橋

12、對El Centro三個分量用不同振型組合得到的結(jié)果。計算表明,虎門橋?qū)l Centro對橫橋向分量的反應(yīng)中,SRSS的最大索張力和塔腿底部彎矩是CQC法的90%和83%。 </p><p>　　青馬橋?qū)andberg橫橋向分量的反應(yīng)中,SRSS給出的最大索張力、塔腿底彎矩和加勁梁主跨中點(diǎn)彎矩分別為CQC法的74%,80%和78%。但ABS組合給出的反應(yīng)明顯大于全時程積分的結(jié)果。顯然是由于它不能區(qū)分不同r值時

13、的耦聯(lián)程度,從而給出過于保守的結(jié)果?？梢奀QC法比SRSS和ABS更適合懸索橋。CQC法在公布后,經(jīng)受了了十多年的理論檢驗,才進(jìn)入規(guī)范.這表明任何新的組合方法未經(jīng)嚴(yán)格檢驗是不能寫入規(guī)范的。 </p><p>　　表1兩座橋?qū)? s和12 s以上反應(yīng)譜分析的結(jié)果比較 </p><p>　　表2虎門橋?qū)l Centro 20 s反應(yīng)譜不同組合方法的比較(100階振型組合,ξ=2%) <

14、/p><p>　　4．參與組合的振型數(shù) </p><p>　　分別用前10階、前50階、前100階和前140階振型組合計算兩座橋的地震反應(yīng),表3列出了2%阻尼下虎門橋?qū)andberg三分量的反應(yīng)。結(jié)果是:虎門橋?qū)andberg橫橋向分量的反應(yīng)中,前10階組合、50階組合、100階組合的塔腿底彎矩比為2∶40∶100;加勁梁中點(diǎn)彎矩比為51∶62∶100。但100階組合與140階組合內(nèi)力相差

15、不足2%。表明對虎門橋100階組合已足夠。青馬橋?qū)andberg橫橋向分量的反應(yīng)中,前10階組合、50階組合、100階組合、140階組合的加勁梁主跨中點(diǎn)彎矩比為7∶58∶94∶100;塔腿底彎矩比為2∶55∶96∶100。但對豎向分量的反應(yīng)中,100階組合、140階組合的加勁梁主跨中點(diǎn)彎矩比為87∶100,說明對青馬橋100階振型組合略顯不夠。為避免計算有效振型質(zhì)量的繁瑣,可先取100階振型組合,然后增加振型數(shù)以檢驗收斂性。 <

16、/p><p>　　5．用于時程積分法的地面加速度記錄的持續(xù)時間 </p><p>　　用時程法計算兩座橋?qū)l Centro前6 s強(qiáng)震段、前27 s和全時程53.74 s和對Sandberg前20 s強(qiáng)震段和全時程60 s的反應(yīng)。表4列出虎門橋?qū)andberg三分量的反應(yīng)。計算表明虎門橋?qū)and-berg順橋向分量的反應(yīng)中,前20 s積分給出的加勁梁中點(diǎn)位移和彎矩僅分別為全時程的78%和

17、37%。青馬橋?qū)andberg順橋向分量的反應(yīng)中前6 s積分、前20 s積分、全時程積分的加勁梁主跨中點(diǎn)彎矩比為53∶88∶100。可見用時程法分析懸索橋時,應(yīng)當(dāng)使用全部時程,不能只取其中的強(qiáng)震段。而且應(yīng)使用有較長持續(xù)時間的記錄。當(dāng)然時程越長,積分成本越高。按與振型迭加法結(jié)果相比, 60 s左右的時程已可接受。 </p><p>　　表3 虎門橋用不同振型數(shù)CQC組合對Sandberg 12 s譜的結(jié)果比較 &

18、lt;/p><p>　　表4虎門橋?qū)andberg不同持續(xù)時間時程積分的結(jié)果,Δt=0.02 s阻尼 </p><p>　　但CQC組合結(jié)果與全持時的時程積分法結(jié)果有時明顯不同,如虎門橋?qū)andberg豎向分量的反應(yīng)中,CQC的加勁梁中點(diǎn)彎矩僅為全時程積分的60%。但虎門橋?qū)andberg順橋向分量反應(yīng)的加勁梁中點(diǎn)彎矩,CQC的結(jié)果比時程法大37%,因此懸索橋的地震反應(yīng)分析應(yīng)聯(lián)合使用兩種

19、方法,取不利者。 </p><p>　　6．豎向地震分量的影響 </p><p>　　表1至表4表明,豎向地震引起懸索橋的內(nèi)力與其它兩個分量的結(jié)果相比不可忽略,虎門橋?qū)lCentro豎向分量的反應(yīng)中,加勁梁中點(diǎn)彎矩是順橋向分量引起的79%,索最大張力是橫橋向分量引起的4.5倍。因此,懸索橋抗震分析必須包括對豎向地震的反應(yīng)。時程法應(yīng)同時對三個分量進(jìn)行積分以求最大反應(yīng)。因為對不同分量的反應(yīng)的

20、最大值發(fā)生在不同時刻。 </p><p><b>　　三．結(jié)束語 </b></p><p>　　綜上所述，懸索橋的抗震分析應(yīng)遵守以下原則:首先應(yīng)使用含5 s以上長周期分量的反應(yīng)譜。5 s以上反應(yīng)譜應(yīng)放棄13%下限。其次用振型迭加法時,應(yīng)使用CQC組合。組合振型時應(yīng)至少使用前100個振型。再次用時程積分法時,地震波的持續(xù)時間應(yīng)盡可能長,一般可取60 s左右。最后豎向地震

21、必須考慮,當(dāng)用時程積分時,應(yīng)同時對三個分量求積。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1]劉家敏; 崔英明; 肖軍; 張永水 基于解析法的懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工控制程序開發(fā)重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2012-08-15期刊 </p><p>　　[2]孫劍飛; 方建回; 譚喬清; 李麗芬 自錨式懸索橋上部結(jié)

22、構(gòu)新穎施工方法介紹預(yù)應(yīng)力技術(shù)2004-08-15期刊 </p><p>　　[3]李杰; 李娜 混凝土自錨式懸索橋抗震設(shè)計的圖表分析法華北水利水電學(xué)院學(xué)報2008-04-15期刊 </p><p>　　[4]楊孟剛; 胡建華; 陳政清 獨(dú)塔自錨式懸索橋地震響應(yīng)分析中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2005-02-26期刊 </p><p>　　[5]葛耀君 大跨度懸索橋的跨

23、徑極限與抗風(fēng)挑戰(zhàn)2009武漢國際橋梁科技論壇大會論文集2009-10-15國際會議 </p><p>　　[6]王占飛; 龐輝; 李幗昌; 楊陽 基于Pushover分析的剛構(gòu)橋抗震設(shè)計方法研究第21屆全國結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會議論文集第Ⅲ冊2012-10-12中國會議 </p><p>　　[7]郭松峰; 祁生文; 翟文龍; 黃曉林 云南龍江特大懸索橋錨碇穩(wěn)定性分析中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所