斜拱面非对称钢箱系杆拱桥的抗震分析.doc
《斜拱面非对称钢箱系杆拱桥的抗震分析.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《斜拱面非对称钢箱系杆拱桥的抗震分析.doc(19页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、斜拱面非对称钢箱系杆拱桥的抗震分析第22卷第3期2005年6月工程力学ENGINEERINGMECANICSV_01.22NO.3June2005文章编号:1000.4750(2005)03015205斜拱面非对称钢箱系杆拱桥的抗震分析秦权,白刚,王建秀(清华大学土木工程系,北京100084)摘要:天津大沽桥主跨103米,采用全钢斜拱斜系杆面无顶部水平支撑的结构形式,结构复杂,振型多是空间的,自振频率密集.我国新版桥梁抗震设计规范正在编制,目前我国缺少对这种桥抗震设计的明确规定.参考国内外相关规范,采用两阶段抗震设计,确定了表达两阶段水平和竖向地震作用的反应谱,选择和产生合格的三分量地震地面加
2、速度时程历史;计算了拱圈的几何刚度和斜吊杆的割线刚度对地震反应的影响;用有效振型参与质量分别确定了对顺桥向和横桥向地震作用的振型组合所必须的振型数,和非弹性时程积分的合理步长,表明用前57阶振型进行振型组合,以及O.O2秒的积分步长能给出可靠的结果.对大沽桥弹性反应分析,反应谱振型叠加法必须使用CQC组合,还应考虑对三向地震作用的反应的组合.利用作者开发的程序BER2002进行三分量地面运动同时输入下的非弹性时程积分.分别考虑水平主波沿顺桥向和横桥向的反应,取大者.分析表明,大沽桥的设计方案有良好的抗震性能.关键词:有效振型参与质量;侧移灵敏系数;轴压比;CQC振型组合;拱圈几何刚度中图分类号
3、:TU3ll-3文献标识码:AASEISMICBEHAVIoRoFCoMPLEXTIEDARCHBRIDGESQINQuan,BAIGang,WANGJian.xiu(DepartmentofCivilEngineering,TsinghuaUniversity,Beijhag100084,Chma)Abstract:Dagubridge,atTanjin,isatiedarchbridgewithasymmetricandinclinedsteelboxarchesandasteelboxgirder.Duetoitsstructuralcomplexity,thecurrentChines
4、edesigncodeisincapableofaseismicassessment.Withreferencetothenewversionsofforeigndesignspecifications,appropriatedesignresponsespectrainthreedirectionsandgroundaccelerationtimehistorieswiththreecomponentsaregiven.A3Danalyticalmodelincludinggeometricstiffnessofthearchandthesecantmodulusofthehangersis
5、established.Theeffectivemodalparticipationmassisusedtodeterminetheminimumnumberofmodesformodecombinationofresponsespectrumanalysisandthereasonabletimestepforthestepbystepintegrationanalysis.ItisfoundthattheCQCcombinationshouldbeusedintheresponsespectrumanalysis.Thetimehistoriesofthreegroupsofsimulta
6、neousthreecomponentgroundaccelerationsareusedasinputfornonlinearresponseanalysisbySAP2000,ANSYSandaninhouseprogramBER2002.Itisshownthatthebridgepossessessatisfactoryaseismicbehavior.Keywords:effectivemodalparticipationmass;displacementsensitivitycoefficient;axialforceratio;CQCcombination;geometricst
7、iffnessofarchrib收稿日期基金项目作者简介2003.05.28:修改日期:2003.06.24国家973项目(2002CB412709)秦权(1939),男,江苏无锡人,教授,博士生导师,英国结构工程工程师学会IstructE资深会员,英国特许结构工程师fE-mail:);白i(1978),男,云南人,硕士生,从事结构工程研究王建秀(1981),女,天津人,硕士生,从事结构工程研究斜拱面非对称钢箱系杆拱桥的抗震分析1531概述本文针对的天津大沽桥的设计方案是三跨全钢结构系杆拱桥,结构体系采用钢箱梁和下承式钢箱拱,见图1.与一般拱桥不同的是,大沽桥的两个钢拱圈相互独立,两个拱圈一高
8、一低,并以不同角度倾斜.每个拱圈上有两个吊杆面与桥面系连接,因此其动力特性复杂.由于目前城市桥梁抗震设计规范尚在编制之中,不能作为设计依据,可作为大沽桥抗震设计依据的规范是公路工程抗震设计规范【lJ,和建筑抗震设计规范GB50011-2001J但前者规定过于简单,后者只对地震输入可作参考.大沽桥抗震验算还参考了文献36.因此本文在抗震分析方面还不得不参照日本,欧洲和美国的新版有关规范【7J的规定.本文采用有限元模型,用作者开发的程序BER2002结合通用程序SAP2000和ANSYS对大沽桥进行弹性静力分析,弹性反应谱振型分析,和非弹性动力时程分析,检查大沽桥方案的抗震性能.由于本文还采用了国
9、外新版桥梁抗震规范的新技术,因此也是我国复杂结构桥梁的抗震设计的一个尝试.图1大沽桥设计方案Fig.1DesignschemeofDagubridge2大沽桥的有限元模型大沽桥结构方案为三跨全钢结构系杆拱桥.主跨103m,两个边跨18m.两个倾斜的主拱圈相互独立,大小和倾角都不等,截面为壁厚3cm的钢箱.大拱拱平面倾斜度l:3,拱顶高39m,横截面为变截面.小拱拱平面倾斜度1:2,拱顶高16m,横截面为等截面方形箱.桥面结构为24m宽正交钢板桥面箱形三跨连续梁,截面高度为1.3m,用平行钢丝吊杆吊在拱圈上.每个拱圈有两个倾角不同的吊杆面,一个吊杆面由拱囤连至箱梁侧边,另一个吊杆面由拱圈连至人行
10、道外侧.拱脚下有钢筋混凝土排架墩,墩柱为方形截面边长2.5m,长4.8m.每个墩柱下有4根1.5m直径的混凝土桩,长50m.拱圈和箱梁材料均为16Mn钢.吊杆截面积为0.0008m,线比重为100kN/m,容许应力为665MPa.本文使用空间杆系模型,拱圈用等截面直梁柱单元模拟,考虑负几何刚度;吊杆为空间桁架杆单元,考虑割线模量;箱梁用三根梁加横向刚杆组成的格子梁模拟,拱脚与主跨端部的横梁铰接,箱梁和人行道板共同作为系杆.人行道板下的横梁用梁单元模拟.箱梁与1号墩为固定铰接,与2号墩为沿顺桥向可滑动的铰接.两个桥墩和两个桥台都约束箱梁的横桥向位移.3地震地面运动输入3.1规范对比大沽桥按三类场
11、地考虑,特征周期为0.45秒.根据规范L1J,天津市基本烈度为8度,水平设计基本加速度峰值K=0.20g.如考虑大沽桥为一级公路上的抗震重点工程,则重要性系数C:1.7,拱桥的综合影响系数c,=0.35.弹性分析用多遇地震水平最大地面加速度PGA=0.119g,水平地震影响系数口=0.268;非弹性分析用基本烈度地震水平PGA=0.340g,水平地震影响系数最大值口m=O.765.对比2002年1月1目开始执行的建筑抗震设计规范L2J,弹性分析用多遇地震水平,非弹性分析用罕遇地震水平.水平峰值加速度和5%阻尼比水平地震影响系数最大值见表1.考虑钢桥的阻尼比为2%,阻尼修正系数为1.319,进行
12、阻尼修正后,弹性分析和非弹性分析的水平地震影响系数最大值分别为0.1583和0.950.表l建筑设计规范【地震地面运动输入Table1SeismicgroundmotioninputPGA(cm/s5%N)E口m2%阻尼m弹性分析用多遇地震550.120.1583非弹性分析罕遇地震3100.720.950对弹性分析,规规定的地震动参数,无论是水平PGA还是水平地震影响系数最大值口都比规范【规定的大.对非弹性分析,规范规定的154工程力学是基本烈度地震动,规2J规定的是罕遇烈度的地震动,规规定的口=0.765只略小于规范L2J规定的罕遇地震动下2%阻尼比的口.=0.950.规范【JJ规定:基本烈
13、度地震动作用下桥梁经一般整修即可使用,这个要求高于规2J的要求:即在罕遇烈度地震动作用下,结构的非弹性变形应在一定范围内,以免倒塌.因此本工作依据规范【lJ进行,要求基本烈度地震动作用下桥梁只有有限损伤.大沽桥是大跨拱桥,竖向地震动影响不可忽略,规范【lJ规定竖向地震动PGA=0.5x水平PGA,竖向地震影响系数最大值=0.5x水平地震影响系数最大值.3.2非弹性时程分析地震输入的选取我国目前桥梁设计规范尚无对非弹性时程分析的规定,本文选择地震波时参照规2J并参考日本,欧洲的规范【引.每个地震动水准选用三组地震地面运动加速度时程历史,其中两组为PGA和特征周期与规定值相近的实际地震记录,一组为
14、由相应的反应谱生成的人工波.每组加速度时程含三方向分量:两条正交的水平分量,和一条竖向分量.非弹性时程分析时每组三分量同时输入,取对三组加速度时程反应的最大值为分析结果.每对水平波中,PGA大的一个是主波,另一个是副波.三分量输入时,分别考虑主波沿顺桥向作用,和主波沿横桥向作用下的反应,取其不利者.文献8】给出的选择地震地面加速度纪录和产生人工波的标准是:PGA符合目标值,反应谱与目标谱接近,595%总能量的持续时间不小于表2的规定,如下:表2EUROCODE引地面加速度时程的持续时间Table2GroundmotiondurationofEUROCODEllPGA(g)l0.100.200.
15、3010.40.1l持时(sec)ll0l520l25在大量国内外的校正后的地震地面加速度记录中寻找,最后确定使用的两组地震地面运动加速度时程历史记录为:美国E1Centro1941年三分量(两条水平分量,一条竖向分量)记录,水平分量PGA分别为341.7cm/s和210.1cm/s,持续时间为53.76秒;从日本桥梁抗震用的18条(经过频域调整的)标准波中选出的1978年Kaihoku桥的两条记录和1993Shichihou桥的一条记录,持续时间30秒.由于文献【7不考虑竖向地震动,日本标准波的记录都是水平加速度,使用时将1978年Kaihoku桥的两条记录作为水平分量,将1993年Shic
16、hihou桥的一条记录作为竖向分量.Kaihoku桥的PGA为318.8cm/s,319.9cm/s.日本标准波的5%阻尼比弹性反应谱的平台段与大沽桥目标谱的平台相近,但特征周期远大于大沽桥目标谱的特征周期0.45秒.大沽桥的基本自振周期是0.997秒,要使此处反应谱值与目标谱相近,必须对日本波进行调整.将日本标准波的时间步长0.01秒缩小0.323倍,这时的持续时间为9.69秒,低于表二的规定.这样处理后的日本标准波的反应谱与目标谱符合良好(图1),本文适当放松了持续时间的要求.非弹性分析还需使用一组三条人工加速度时程,也是两条正交的水平分量,和一条竖向分量.本工作用自行编制的人工波产生程序
17、AWG生成人工波.按规范【lJ的5%阻尼比基本烈度反应谱产生的人工波PGA为340cm/s,主波的5%阻尼比反应谱示于图2.01234周期(S)图25%阻尼比加速度反应谱与目标谱的对比Fig.2Comparisonofspectraat5%dampingratio4弹性抗震分析4.1弹性静力分析弹性静力分析包括以下内容:1)计算两个拱圈的轴压比77=Ar/A/a,应当满足r/<0.6J.大拱圈的轴压比在0.119到0.131范围内,小拱圈的轴压比在0.24到0.30范围内,满足要求;2)计算拱圈的轴压力的水平分量,以建立几何刚度矩阵.3)由于四排吊杆全是斜的,为考虑垂度影响,使用O864
18、2O1OOOOO斜拱面非对称钢箱系杆拱桥的抗震分析下式确定的割线弹性模量E去EE+12(1)sec;式中E平行钢丝的弹性模量,一吊杆的线比重,口一吊杆的水平投影长度,一载下吊杆的应力,一活载下吊杆的应力.由式(1)求得E=1.980105MPa.由此可见大沽桥吊杆垂度效应对轴向刚度影响很小,可忽略.4.2弹性反应谱振型分析此项分析使用文献1的反应谱,顺桥向和横桥向的水平地震影响系数最大值均为诅x.日:0.1192.25=0.268,竖向地震影响系数最大值为诅x.=0.50.268=0.134.对同一方向地震作用的各振型反应分量进行组合时有SRSS,CQC等多种方法,应根据振型分量的耦联程度选择
19、合适的组合方法.对5%阻尼,频率比大于0.746时,或对2%阻尼,频率比大于0.888时,振型分量的耦联项贡献均超过5%,应使用CQC振型组合10.对X,Y,z三向地震联合作用的最大总反应等于n1a)c1.0S()+0.3S(y)+0.3S():Max0.3S(x)+1.OS(Y)+0.3S()0.3S()+0.3S(y)+1.0S()参与组合的振型数必须谨慎确定,用有效振型参与质量来判断是否漏掉重要的振型.有效振型参与质量是由塔墩基底水平剪力导出的,当考虑的振型数n包括的有效振型质量之和满足下式时,可认为这个振型已包含了全部重要振型J击喜式中M一该方向的总质量,一第i个振型的广义质量.计算出
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 斜拱面非 对称 钢箱系杆 拱桥 抗震 分析
链接地址:https://www.31doc.com/p-2068774.html