斜拉橋地震響應(yīng)分析

斜拉橋地震響應(yīng)分析

1結(jié)構(gòu)體系中的被動保護(hù)地震造成的重大損失主要是生命線工程（通信、交通、供水、供電、天然氣等）的中斷。因此，應(yīng)確保生命線的高度安全性。橋梁作為交通運(yùn)輸系統(tǒng)的基本組成部分,結(jié)構(gòu)又非常脆弱,了解其地震反應(yīng)是至關(guān)重要的。斜拉橋的跨度大、柔性高,有別于其他的結(jié)構(gòu),通常經(jīng)歷很長的基本周期,因此影響其動態(tài)行為。一般而言,結(jié)構(gòu)的動力特性取決于結(jié)構(gòu)的組成體系、剛度、質(zhì)量分布以及支承條件等。斜拉橋是由幾個不同的結(jié)構(gòu)體系組成的,而各個體系的剛度和阻尼特性也不同,因此斜拉橋的結(jié)構(gòu)類型復(fù)雜,需要對其進(jìn)行詳細(xì)動力分析以準(zhǔn)確的評價其周期、振型和阻尼特性。20多年前,隨著第一臺隔震裝置的出現(xiàn),振動控制理論就開始應(yīng)用在斜拉橋結(jié)構(gòu)中。盡管結(jié)構(gòu)振動控制的研究日趨成熟,但是這項(xiàng)技術(shù)與斜拉橋相結(jié)合的過程卻十分緩慢。許多控制裝置都已經(jīng)通過了分析或者實(shí)驗(yàn)的測試,但是,卻只有少數(shù)斜拉橋經(jīng)過實(shí)際地震的檢驗(yàn),擁有較為先進(jìn)的保護(hù)系統(tǒng),這些橋在近年來的地震中表現(xiàn)出了的良好的抗震性能而其本身的設(shè)計構(gòu)造并無特殊要求。因此,幾年之前,新的被動保護(hù)技術(shù)———隔震消能裝置———開始應(yīng)用于結(jié)構(gòu)抗震中,比如美國的CapeGirardeauBridge和希臘的Rion-AntirionBridge。事實(shí)上,大量的實(shí)驗(yàn)研究使得這些新型抗震裝置的研發(fā)獲得較大進(jìn)展,它們在地震中表現(xiàn)出了良好的抗震性,日后必將廣泛地應(yīng)用于大型土木工程結(jié)構(gòu)中。2斜拉橋地震反應(yīng)分析2.1固有頻率和振型從總體上看,斜拉橋具備一定的抗震能力,主要問題是地震時橋面會產(chǎn)生水平方向的運(yùn)動。豎向條件對于橋塔和拉索的設(shè)計分析非常重要,但對于橋面來講并非如此,因?yàn)樵诂F(xiàn)代橋梁中橋面是由拉索提供彈性支撐的。斜拉橋的模擬分析結(jié)果已經(jīng)在很多文章中討論過,重點(diǎn)在于地震反應(yīng)。準(zhǔn)確分析斜拉橋的固有頻率和振型不僅對于地震反應(yīng)的研究非常重要,對于風(fēng)荷載作用和車輛荷載的作用也同等重要。從總體上看,拉索簡化成為理想的桁架單元,這種方法很簡單,但是由于它沒有考慮索的橫向振動,對于精度要求較高的斜拉橋動力分析而言并不能滿足要求。數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,索的模型對斜拉橋的動力特性預(yù)測有重要影響。在一項(xiàng)對大跨度斜拉橋的固有頻率分析的研究中(涉及“H”和“A”兩種類型的斜拉橋),研究者發(fā)現(xiàn),固有頻率受結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的影響非常明顯。2.2結(jié)構(gòu)的幾何非線性大跨度斜拉橋在地震作用下主要發(fā)生非線性變形。恒載作用下的非線性靜力分析是非線性地震分析的基礎(chǔ),也是進(jìn)行恒載作用下橋梁變形分析的主要方法。對于主跨長度超過600m的橋梁,當(dāng)受到強(qiáng)烈振動時,有必要進(jìn)行幾何非線性分析和材料非線性分析。材料非線性與橋梁的具體結(jié)構(gòu)有關(guān),而幾何非線性幾乎存在于所有的斜拉橋之中,特別是斜拉索垂度效應(yīng)———橋面和主塔受壓后因結(jié)構(gòu)柔度較大而產(chǎn)生大撓度變形。斜拉橋的幾何非線性來自三個方面。首先是斜拉索的垂度,索的張拉力與變形之間存在明顯的非線性關(guān)系;其次是梁-柱效應(yīng),由于斜拉索的存在,主梁、橋塔不僅承擔(dān)彎矩,同時還要承受較大的軸力,因軸力-彎矩-變形之間的相互作用而產(chǎn)生梁-柱效應(yīng);還有大變形效應(yīng),即結(jié)構(gòu)在荷載作用下產(chǎn)生較大的變形,使結(jié)構(gòu)的幾何形狀改變,從而引起的非線性效應(yīng)。材料非線性問題出自材料本構(gòu)關(guān)系,在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力彈塑性分析時非常重要。2.3混凝土作為主塔的材料和背景主塔用來支撐斜拉索系統(tǒng)并將外力傳至基礎(chǔ)。它們承擔(dān)著很高的壓力和彎矩,其受力狀態(tài)受拉索的布置情況以及橋面-塔的支承條件影響。主塔一般可由鋼或者混凝土建成,而后者近似剛性更為經(jīng)濟(jì)。然而,混凝土自重普遍高于鋼材,這就意味著在使用混凝土作為主塔的建設(shè)材料時要切記場地的土壤條件和建設(shè)速度。主塔的地震響應(yīng)取決于多個方面,除上文提到的以外,主塔的幾何形狀也是很重要的一個方面,它與設(shè)計荷載、斜拉索系統(tǒng)及造型等因素相關(guān)。有必要強(qiáng)調(diào)的是,主塔使用混凝土材料無疑會增加橋身自重,從而誘發(fā)更強(qiáng)的地震力。3斜拉橋被動控制3.1基于粘滯阻尼器的大跨度橋梁模型1991年,Ali和Abdel-Ghaffar兩位學(xué)者首次進(jìn)行了斜拉橋的被動控制研究,他們提出使用橡膠支座(LRB)作為斜拉橋的被動控制系統(tǒng)。研究結(jié)果顯示這種被動控制裝置十分適用,而結(jié)構(gòu)彈性的提高使結(jié)構(gòu)變形明顯加大。在橡膠支座中加入鉛芯(LRB)相當(dāng)于增加了額外的阻尼。并且,他們推斷被動控制裝置的位置決定了地震力如何分散傳遞給主塔、橋面以及斜拉索。1995年,這兩位學(xué)者又做了與1991年相似的研究。在這次研究中,他們提出兩種不同的橋梁模型———雙面豎琴形拉索和扇形拉索,并采用LRB和擠壓阻尼器作為被動裝置。研究得到結(jié)論:耗能設(shè)備較傳統(tǒng)的連接而言,能夠顯著減輕地震作用在橋梁中產(chǎn)生的內(nèi)力。1994年,Niihara等學(xué)者應(yīng)用時程分析方法研究了粘滯阻尼器對大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋抗震性能的改善。研究結(jié)果表明:對于設(shè)置粘滯阻尼器的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋來講,布置單面豎琴形拉索更加有效。粘滯阻尼器的應(yīng)用,有助于明顯改善大跨度橋梁的抗震性能。2004年,Vader和McDaniel研究了能量耗散系統(tǒng)對斜拉橋抗震反應(yīng)的影響。他們以舊金山-奧克蘭海灣大橋?yàn)槟Ｐ?分析比對了粘滯型和摩擦型兩種阻尼裝置。研究結(jié)果表明:盡管對角布置的摩擦型阻尼器對于斜拉橋有很高的效率,但是它們會產(chǎn)生很大的剪力,因此在這種情況下粘滯阻尼器是最佳選擇。3.2近場震震裝置的改進(jìn)應(yīng)用隔震的概念早在20世紀(jì)初就被人提出,在橋梁工程中已經(jīng)發(fā)展得相對成熟,應(yīng)用較多。基礎(chǔ)隔震是通過隔震裝置延長整個結(jié)構(gòu)體系的自振周期,減小輸入上部結(jié)構(gòu)的地震能量,達(dá)到預(yù)期減震的要求。從目前橋梁隔震技術(shù)的應(yīng)用情況來看,使用最多的是鉛芯橡膠支座和高阻尼橡膠支座。斜拉橋?qū)τ山鼒龅卣甬a(chǎn)生的大振幅、長周期的地震動存在潛在的敏感反應(yīng)。相關(guān)研究顯示,采用少量隔震裝置不僅十分有益于降低地震加速度,還能有效地限制結(jié)構(gòu)位移量。人們還發(fā)現(xiàn),繼續(xù)增加隔震裝置來延長結(jié)構(gòu)的振動周期收益并不明顯,這是因?yàn)楫?dāng)結(jié)構(gòu)位移變形大幅度增加時結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和加速度降低的幅度卻很小。幾乎在所有情況下,采用隔震裝置的橋梁,其基礎(chǔ)剪力較非隔震橋梁至少降低50%,甚至80%。3.3阻尼器內(nèi)固定條件對于大跨度的斜拉橋,受溫度變化和收縮徐變的影響也很大。對于由這些因素引起的慢速變形,阻尼器能保證梁體自由變形不產(chǎn)生附加內(nèi)力;對于由地震作用產(chǎn)生的梁的快速變形,阻尼器能迅速耗能,減小加速度和位移。4關(guān)于地震反應(yīng)和被動控制措施的研究近年來,斜拉橋的地震反應(yīng)分析和抗震設(shè)計的研究工作取得了很大的發(fā)展,但仍然有很多的問題有待探討。首先,關(guān)于主塔的地震反應(yīng)分析的問題。主塔的地震反應(yīng)取決于其幾何尺寸和材料,對其進(jìn)行參數(shù)化分析是必要的,當(dāng)然還應(yīng)深入開展對鋼和混凝土兩種材料的對比分析研究。其次,對于斜拉橋豎向地震反應(yīng)的研究還比較少?，F(xiàn)在僅有一些對于公路橋梁常用梁橋的豎向地震反應(yīng)的研究,而對斜拉橋結(jié)構(gòu)并未開展相關(guān)研究。再次,關(guān)于被動控制的問題。對于應(yīng)用于斜拉橋的被動減震措施來說,其效率依賴于所應(yīng)用的設(shè)備及其布置方案、橋梁的幾何尺寸、地震波的