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多点激励下大跨度连续刚架拱组合桥的空间地震响应分析

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第28卷第3期 2007年6月 暨南大学学报(自然科学版) Vo1.28 No.3 Journal of Jinan University(Natural Science) Jun. 2O07 多点激励下大跨度连续刚架拱组合 桥的空间地震响应分析 刘爱荣 , 张俊平 , 禹奇才 , 罗甲生 (1.广州大学土木工程学院,广东广州510006;2 广州市新光快速路有限公司,广东广州510100) [摘要] 新光大桥位于广州新光快速路主干线,是世界上第一座三跨连续钢桁拱与钢筋混凝土V型刚构结合 的钢一混凝土组合体系桥梁,主桥跨度为177 m+428 m+177 m,在目前同类型桥梁中,主桥长度位居世界第一. 该桥结构新颖、造型独特.本文以广州新光大桥为例,详细分析了大跨度连续刚架一拱组合结构桥梁在纵桥向和横 桥向地震一致激励和多点激励作用下的地震响应.研究表明多点激励对主拱肋上、下弦杆以及V型刚架斜腿地震 内力响应均有较大影响,而对边拱肋轴力影响很小,并且纵桥向多点激励要比横桥向多点激励对结构的影响要明显. [关键词] 拱桥; 连续刚架桥;组合桥梁;地震响应; 多点激励 [中图分类号] U448.25;TU311.3 [文献标识码] A [文章编号] 1000—9965(2007)03—0246—05 Spatial seismic response analysis of long——span combined bridge of continuous rigid——frame and arch structure under multiple support excitation LIU Ai.rong ,ZHANG Jun.ping , YU Qi-cai ,LUO Jia-sheng Ltd.,Guangzhou 510100,China) University,Guangzhou 5 10006,China; (1.School of Civil Engineering,Guangzhou 2.GuangZhou XinGuang Express Way Co. ,[Abstract]Xinguang Bridge locates at Xinguang express way of Guangzhou city.It is the first 3-span continuous rigid・-frame and steel・-truss arch bridge with reinforced concrete V・-shaped rigid frame in the world.The span of the main bridge is 177 m+428 m+177 m.Among the same type of the bridges.the main bridge is longest in the world.The style of the bridge is unique and fashionable.This paper is fo- cused on the study on the seismic characteristics of Xinguang Bridge under synchronous and multiple sup- port seismic excitation by subjecting he brtidge to earthquakes in the longitudinal and transverse direction of the bridge.The analysis results show that multiple support seismic excitations have impact effect on the internal force of upper chord and lower chord of main arch ribs,and V-shaped rigid frames,whereas have little effect on internal foree of side arch ribs.It can be also f0und that the influence of longitudinal multi- pie support excitation on the internal forces is more predominant than the transverse multiple support exci- ration. [Key words] arch bridge; continuous irgid—frame bridge; combined bridge; seismic response; multiple support excitation f收稿日期]2007—03—10 [基金项目]广东省科技计划项目(2005B10201023);广州市科技计划项目(No.2006J1一C0471);广州市建设科技计划项目(200617) [作者简介]刘爱荣(1972一),女,副教授,博士,研究方向:大跨度桥梁结构振动控制研究 维普资讯 http://www.cqvip.com 第3期 刘爱荣,等:多点激励下大跨度连续刚架拱组合桥的空间地震响应分析 目前国内外工程抗震规范均假定结构所有支点 同时受到相同性质的地震地面波作用,这相当于假 定地震波的传播速度为无穷大,从而结构各支点受 到的干扰完全相同,这就是一致地震激励.这种分 析方法对于小跨度桥梁是合理的,而对于受地面运 动空间变化影响较大的大跨度桥梁结构,则可能导 致较大的误差.地震时,由于地震波在介质中的反 射和折射,波在传播方向上不同位置的迭加方式不 同而引起相干性的部分损失,所以地面各点的运动 通常是不同的.因此,对于大跨度桥梁结构,多点激 励是合理的地震作用模式,更能反映工程实际.国 内外许多学者已对各种大跨度连续刚架、拱桥、悬索 桥、斜拉桥在多支承地震激励作用下的地震响应进 行了研究,研究表明多支承地震激励对大跨结构的 地震内力和位移响应均有较大影响 -6].本文以广 州新光大桥为例,建立了空间杆系有限元模型,利用 动态时程分析方法对大跨度连续刚架一拱结构组合 体系桥在纵桥向、横桥向一致激励和多点激励影响 下的地震响应情况进行了详细分析,本文所得结论 为类似大跨度桥梁的抗震设计提供一定的参考 价值. 1 工程简介 新光大桥主桥位于广州新光快速路主干线,横 跨珠江连接广州市区和番禺区,是世界上第一座三 跨连续钢桁拱与钢筋混凝土V型刚构结合的钢一 混凝土组合体系桥梁,主桥跨度为177 m+428 m+ 177 m.在目前同类型桥梁中,主桥长度位居世界第 一.该桥结构新颖、造型独特,如图1.新光大桥主 体结构由基础工程、V型刚架以及钢桁拱组成,V型 刚架既是钢桁拱的支撑结构,又是上部结构的传力 构件.其主拱肋和边拱肋均采用钢桁拱结构形式, 主跨和边跨钢桁拱固结于V型刚架上.主跨桥面结 构为半漂浮体系,采用钢丝束系杆平衡钢桁拱部分 水平推力,桥面结构采用钢砼组合结构.在材料的 应用上,主桥拱肋全部采用钢桁架拱;中跨桥面结构 为钢砼组合结构体系,系杆为钢绞线;边跨系杆及桥 面横梁、边跨桥面纵梁及桥面板则分别采用预应力 混凝土和钢筋混凝土结构.新光大桥不仅充分利用 了桁架拱桥良好的跨越能力,同时也充分发挥了连 续刚架桥刚度大、抗震性能好的优势.鉴于新光大 桥在整个交通运输网中的重要性以及结构的特殊 性,对其进行专门的抗震设计研究是很有必要的. 特别是由于该桥在国内外首次开创性地采用了混凝 土V型刚构与钢拱肋相结合的组合结构形式,所以 V型刚架的抗震性能受到了广泛的关注 . 图1新光大桥主桥 广州新光大桥的抗震设计以100年基准期为主 要设防水平,采用二水准、两阶段设计的抗震设防思 想.《广州新光快速路工程场地地震安全性评价报 告》[1o]给出了阻尼比为5%时100年超越概率10% (Pl概率)和100年超越概率2%(P2概率)下新光 大桥广州侧和番禺侧的人工合成地震时程曲线,如 图2和图3. 300 200 100 0 100 200 300 0 10 20 30 t/s 图2广州侧P2概率下地面加速度时程曲线 300 200 lOO 0 —100 —200 -3OO 0 10 20 30 40 t/s 图3番禺侧P2概率下地面加速度时程曲线 2结构动力方程 多点激励作用下的结构运动方程是将结构的位 移响应分为动力项和拟静力项,动力项是由惯性引 起的,拟静力项是由各支点的位移引起的.对于一 致激励,各支点位移相同,不会产生静内力;但在非 一致激励情况下,各支点位移不尽相同.对超静定 结构而言,可根据引入的影响矩阵,采用静力的方法 求解出拟静力位移,而拟静力项解出后,求解动力项 的方程可简化为与一致激励运动方程相同的形式, 可按与一致激励相同的方法求解,结构的最终响应 则为二者的叠加,所以在多点激励作用下通常结构受 拟静力位移的影响很大.若考虑地震运动的空间变 化,则桥梁结构在各支承处的地面运动方程为 : 维普资讯 http://www.cqvip.com 暨南大学学报(自然科学版) 第28卷 横(一致) 横(多点) 纵(一致) 纵(多点) [ 】爱)+[是 】&)+ 【乏珈 : ) ㈩ 上式中, 。,Y’。和Y。分别是非支承处自由度的绝对 加速度、速度和位移向量;Ms, , 是相应的质量、 阻尼和刚度矩阵; ,Y‘ 和Y 分别为支承处自由度 5.OE+O7 4.OE+O7 3 0E+07 暴2 0E+07 1.OE+O7 0 0E+00 O l00 200 3O0 400 主拱肋水平坐标/m 的绝对加速度、速度和位移向量; ,C ,K 分别是 相应的质量、阻尼和刚度矩阵.F 为支承反力. 基于拟静力位移的概念,行波激振下的总位移 反应分离为动力反应位移和拟静力位移,可表示为: = +船 ㈤ 对于给定地面运动位移Y ,Y。可由下式求得 Y。=一 K。bYb=Ryb (3) 式中,R称为影响矩阵. 将式(2)和(3)代人(1),可得: [ ]{ 。}+[C。]{J;。}+[ ]Y。= -[ ][R]{j; }-([C ][R]+[ ]{J; })一 ([ ][R]+[ ]){Y } (4) 上式右端最后一项是反映拟静力位移的静力平衡条 件,所以 ([ ][R]+[ ]){Y }=0 (5) [R]=-[ ] [ ] (6) 如果阻尼矩阵只与刚度矩阵成正比,则式(4)右端 第二项也为零,因此式(4)可以表示为: [ ] }+[C。]{ 。}+[K。]{Y。}- -[ ][R]{ }{Y } (7) 3地震响应计算结果 3.1地震内力响应计算结果 本文计算采用地震动态时程分析方法,取时间 步长=0.02 s,计算时间历程为43 s,时间步长共计 2 150步.地震波选取100年超越概率2%下番禺侧 和广州侧人工合成地震波. 由于篇幅,本文只给出了部分主要计算分 析结果,如图4~图ll给出了新光大桥主拱肋和边 拱肋上弦杆(由于上弦杆和下弦杆地震响应特征基 本一致,所以本文只给出上弦杆内力包络图),V型 刚架靠中跨以及靠边跨斜腿在纵桥向和横桥向地震 激励下的最大内力包络图.表l和表2分别给出了 在纵桥向和横桥向地震一致和多点激励下结构各主 要断面的内力比较. 从图4和5可以看出在纵桥向地震一致激励 下,中拱拱顶轴力基本趋于零,这是由于在一致激励 图4 主拱肋上弦杆轴力包络图 5.OE+O7 一致) 4 OE+O7 多点) 一致) Z 3.0E+07 多点) 暴2 0E+07 l OE+O7 O.OE+0O O 5O lOO l5O 200 250 300 350 主拱肋水平坐标,m 图5边拱肋上弦杆轴力包络图 下,水平地面运动具有反对称性,所以只有反对称振 型的参与,而对称振型的参与系数等于零;然而在多 支撑激励下,反对称振型和对称振型对结构的内力 都有贡献,并且结构的内力是动力反应和拟静力反 应的叠加,而主拱拱顶上、下弦杆正好处于桥梁结构 的对称位置,所以在考虑多支撑情况下其轴力和弯 矩要比一致激励作用下要大得多.事实上除纵桥向 一致激励下中拱肋拱顶位置外,中、边拱肋其它位置 以及V型刚架斜腿的轴力在一致、多点纵桥向地震 激励下的轴力响应均要较横桥向地震激励作用下明 显大得多.另外,对于V型刚架斜腿面内弯矩MY, 在顺桥向地震激励作用下要比在横桥向地震激励作 用下大得多,相反对于面外弯矩MZ,横桥向地震激 励作用下的响应要比顺桥向激励作用下大得多.这 说明在顺桥向地震波作用下,连续刚架拱桥拱肋和 斜腿主要表现为顺桥向振动,而在横桥向地震波作 用下则表现为横桥向振动,二者振动基本上耦合较 小.在多点激励作用下,结构绝大部分构件的内力 响应均比一致激励作用下要大,而纵桥向多点激励 要比横桥向多点激励对结构的影响要明显.总体上 在纵桥向多点激励下,中拱肋上、下弦杆,V型刚架 斜腿的轴力和弯矩响应要比一致激励下大得多,而 边拱上、下弦杆内力受多点激励的影响相对较小. 由图6~ll,在地震纵桥向多点激励作用下,V 型刚架靠边跨斜腿的轴力要比靠中跨斜腿轴力大将 近30%,而面内弯矩MY将近小了30%;另外对于 同一斜腿构件由纵桥向激励引起的面内弯矩MY是 维普资讯 http://www.cqvip.com 第3期 刘爱荣,等:多点激励下大跨度连续刚架拱组合桥的空间地震响应分析 9 0E+07 249 由横桥向激励产生的面外弯矩Mz的2~3倍,所以 在进行结构抗震设计时应区别对待. 6 0E+07 6 0E+07 Z 4 0E+07 横【一致) 横(多点) 纵(一致) 纵(多点) .R 暴 3 OE+O7 露2.OE+O7 O.OE+OO 斜腿高度/m 图6 V型刚架靠边跨斜腿轴力包络图 2 5E+O9 2.OE+O9 1 5E+O9 1.OE+O9 5 OE+O8 E ^ \>_ 芝 静 谊 .N一\(人 一 静 阻 O OE+00 0 10 舍. /(N 一20  静长阻 30 斜腿高度/m 斜腿高度/m 图1O V型刚架靠中跨斜腿面内弯矩MY包络图 图7 V型刚架靠边跨斜腿面内弯矩MY包络图 6 0E+O8 E 50E+08 .Z 4 0E+08 岂3.0E+08 静2 0E+08 画1.0E+08 O 斜腿高度/m 图11 V型刚架靠中跨斜腿面外弯矩MZ包络图 表1纵桥向一致、多点激励下各主要截面内力比较 多点 多点/一致 9.59E6 1.9 1、76E6 1.2 2.41E6 1.1 1、O1E6 1、O 1 49L1 1.1 6.04E6 1.3 1.34E8 1.3 1.27E8 1.4 7、O2E8 1、2 5.58E8 1.5 维普资讯 http://www.cqvip.com 暨南大学学报(自然科学版) 第28卷 3.2地震位移晌应计算结果 [参考文献] [1] SOYLUK K.Comparison of random vibration methods for multi——support seismic excitation analysis of long・-span 在横桥向一致激励下,中拱拱顶相对中拱拱脚 横向最大位移为35.4 am,多点激励下为88.9 am; 在纵桥向一致激励下,中拱拱顶相对中拱拱脚纵向 最大位移为8.1 am,多点激励下为74.5 am.但从已 有结果数据看,在一致激励和多点激励作用下,边跨 拱肋和三角刚架位移计算结果差别不大 J.由多点 激励动力计算特性可知,一方面由于反对称振型的 bridges[J].Engineering Structures,2004,26:1573— 1583. [2] 杨孟刚,胡建华,陈政清.独塔自锚式悬索桥地震响 应分析[J].中南大学学报,2005,36(1):133—137. [3] 赵灿辉,周志祥.大跨度钢管混凝土拱桥非线性地震 响应分析[J].重庆建筑大学学报,2006,28(2):48— 参与,另一方面由于拟静力的存在,在拟静力作用 下,拱顶与拱脚均存在变形,二者变形效果的差异使 得其相对位移值随着地震波特性的变化而变化.由 此可见地震多点激励对结构位移的影响亦不容忽视. 4 结论 (1)在多点激励作用下,结构大部分构件的内 力响应均比一致激励作用下要大,因此,考虑多点激 励对对称结构地震内力响应的影响是很有必要的. (2)纵桥向多点地震激励对结构的影响要比横 桥向多点激励明显,特别是在纵桥向地震激励下, 主、边拱肋和V型刚架斜腿的轴力要比横桥向地震 激励作用下的大. (3)对于V型刚架斜腿面内弯矩MY,在顺桥 向地震激励作用下要比在横桥向地震激励作用下大 得多,相反对于面外弯矩MZ,横桥向地震激励作用 下的响应要远大于顺桥向激励作用. (4)地震多点激励对大跨度连续刚架一拱组合 体系桥梁的位移响应影响也很大,特别是对结构对 称点位置横桥向和纵桥的影响更是不容忽视. (上接第245页) 信号标志,准确告知船只驾驶员现有的通航净空,以 免因超高而撞坏大桥主梁.在通航孑L墩柱外侧涂反 光标志漆,以便于船只通行; (13)经常性定期检查桥梁各主要部位的病害 情况,检查航标灯、标志是否工作正常、有效,发现问 题及时报告处理. . [参考文献] [1]谌润水,胡钊芳.公路桥梁荷载试验[M].北京:人民 交通出版社,2003. 51. [4]DATrA P K,DATrA T K.Dynamic analysis of arch bridges under traveling loads[J].Int J Solids Sturctures, 1995。32(11):1585—1594. [5]刘春城,张哲,石磊.多支承激励下自锚式悬索 桥空间地震反应分析[J].哈尔滨工业大学学报, 2004,36(11):1568—1570. [6] 刘洪兵,朱唏.大跨度斜拉桥多点支承激励地震响 应分析[J].土木工程学报,2001,34(6):38—44. [7] 张俊平,周福霖,刘爱荣,等.新光大桥地震响应分 析研究报告[R].广州:广州大学,2005. [8]刘爱荣,张俊平,禹奇才,等.桩土耦合效应对大跨 度连续刚钢桁拱桥地震响应性能影响研究[J].桥梁 建设。2007,1:16—19. [9]孙卓,张俊平,刘爱荣.大跨度连续刚钢桁拱桥地 震响应性能影响研究[J].铁道标准技术,2006,9:38 —41. [10] 广州新光快速路工程场地地震安全性评价报告[R]. 广州:广东省地震工程勘测中心,2003. [11] 范立础.桥梁抗震[M].上海:同济大学出版社, 1997. [责任编辑:黄建军] [2] 中华人民共和国交通部部标准《公路旧桥承载能力鉴 定方法》(试行)[M].北京:人民交通出版社,1988. [3] 谌润水,胡钊芳,帅长斌.公路旧桥加固技术与实例 [M].北京:人民交通出版社,2002. [4]李有丰,林安彦.桥梁检测评估与补强[M].北京:机 械工业出版社,2003. [5]JTJO73—96.公路养护技术规范[s].北京:人民交通 出版社。1996. [责任编辑:王景周] 

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