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跨铁转体施工斜拉桥抗震分析研究张健

发表时间：2021/8/10 来源：《城市建设》2021年8月上15期作者：张健

[导读] 随着经济和各行各业的快速发展，我国铁路的不断发展，越来越多的城市拥有规模较为庞大的铁路线路和铁路站场。铁路线路穿越城市，极大的影响了铁路线路沿线的交通。随着线路规模的增大，一批规模较大的跨越铁路线路的桥梁随之诞生。

上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司天津分公司张健天津市 300381

摘要：随着经济和各行各业的快速发展，我国铁路的不断发展，越来越多的城市拥有规模较为庞大的铁路线路和铁路站场。铁路线路穿越城市，极大的影响了铁路线路沿线的交通。随着线路规模的增大，一批规模较大的跨越铁路线路的桥梁随之诞生。抗震设计越来越被桥梁工程师所关注。此类铁路跨线桥由于其跨越铁路，对其抗震性能要求也与常规桥梁不同。此外，跨越铁路桥梁规模一般较大，按照现行规范要求，往往需要同时进行反应谱、线性时程与非线性时程分析，并对分析结果进行对比。
关键词：斜拉桥；转体施工；抗震分析
        引言
        为了研究一座高塔大跨斜拉桥在地震波激励下的响应，对其建立了有限元模型，考虑桩土效应，用恩斯特公式修正斜拉索弹性模量，进行结构动力特性分析，并采用非线性时程分析的方法，得到主梁、塔顶的位移变化规律以及关键截面的能力需求比，并提出一种在桥塔处设置液体粘滞阻尼器的减震优化方案，计算结果表明，设置阻尼器后减震效果良好，而且不仅仅只在布置位置发挥作用。研究结果可供同类型斜拉桥设计参考。
        1抗震分析方法
        根据过渡墩、主塔、主墩在纵横向地震作用下的受力特点，选取控制截面作为重点研究对象进行验算。全桥不受损坏或不需修复可继续使用；当桥梁遭受地震作用时，主桥可发生局部轻微损伤，不需修复或经简单修复可继续使用；在进行地震作用下抗震验算时，荷载组合为恒载作用与地震作用最不利组合。钢筋混凝土桥塔、桥墩和桩截面的抗弯能力（强度）采用纤维单元进行弯矩－曲率（考虑相应轴力）分析获得。截面等效抗弯强度实质是一个理论上的概念值，是将实际的截面弯矩－曲率曲线按能量等效的原则将其等效为一个弹塑性曲线。其中My为截面相应于最不利轴力时最外层钢筋首次屈服时对应的初始屈服弯矩；Meq为相应于最不利轴力时截面等效抗弯屈服弯矩；Mu为截面极限弯矩。地震作用下，桥塔、桥墩和桩基截面要求其在地震作用下的截面弯矩应＜截面初始屈服弯矩（考虑轴力）My。E2地震作用下，桥塔、桥墩和桩基截面要求其在地震作用下的截面弯矩应＜截面等效抗弯屈服弯矩Meq（考虑轴力）。
        2跨铁转体施工斜拉桥抗震分析
        2.1结构地震反应分析
        基于ＭＩＤＡＳ／Ｃｉｖｉｌ有限元分析软件，在Ｅ１地震作用下，采用多振型地震反应谱分析方法，考虑结构前２３０阶振型参与，对该设计方案桥分别进行纵向、横向和竖向地震作用的结构地震反应分析。由结构动力特性分析发现该桥自振频率分布密集，振型间藕合效应显著，因此各振型的地震反应采用ＣＱＣ方法组合。限于篇幅，在此仅给出桥塔和主梁的地震反应峰值。超大跨度部分地锚式斜拉桥的地震反应具有以下特点：１）纵向地震作用下，桥塔顺桥向振动，主梁则表现为顺桥向和竖向耦合振动。桥塔塔顶处的纵向位移最大，并在塔底截面产生最大纵桥向弯矩、剪力和轴力；主梁沿桥轴向的纵向位移基本一致，并在中跨跨中附近产生最大竖向位移。主梁的最大竖向弯矩和剪力均出现在边跨辅助墩处，其次为中跨跨中处。与主梁相比，纵向地震作用下桥塔受力更加显著，并应特别重视塔底截面的抗震设计。２）横向地震作用下，桥塔和主梁同时产生横桥向振动。桥塔最大位移发生在桥塔上横梁附近，最大横向弯矩出现在塔梁连接处，最大横向剪力和轴力则出现在塔底。主梁最大横向位移出现在中跨跨中；最大横向弯矩发生在塔梁连接处，中跨跨中横向弯矩次之；最大横向剪力发生在边跨辅助墩附近，塔梁连接处次之。与纵向地震作用相比，桥塔和主梁的横向地震反应更为显著，横向地震作用对结构受力更为不利，同时应特别重视塔梁交接处桥塔塔柱和主梁截面的抗震设计。３）竖向地震作用下，桥塔和主梁的振动形式与纵向地震作用基本相同。桥塔最大纵向位移出现在塔顶处，最大纵向弯矩、剪力和轴力都出现在塔底；主梁最大竖向位移出现在中跨跨中；最大竖向弯矩出现在辅助墩附近，中跨跨中次之；最大剪力也出现在辅助墩附近，最大轴力则出现在跨中。
        2.2非线性时程分析
        模型计算时考虑两种工况，分别是纵向+竖向地震作用和横向+竖向地震作用，其中竖向地震输入为水平向地震作用的0.65倍。计E1、E2地震作用下主梁的纵向位移峰值比竖向和横向位移峰值更大，这是因为此桥为半漂浮体系，纵向约束较弱所导致。在E1x+z和E2x+z工况下，主梁横向位移曲线几乎为一条平行贴近X轴的曲线，横向位移很小，近乎为0，而纵向位移却很大，且同一工况下不同位置处纵向位移变化较小;在E1y+z和E2y+z工况作用下，纵向位移很小，在1cm左右上下浮动，但横向位移却有明显变化，从跨中往两边不断减小，跨中达到峰值位移。由此表明，对主梁而言，纵向地震荷载不会产生横桥向位移，横向地震荷载不会产生纵桥向位移，纵横向位移有明显不同的分布规律，且互不耦合。主梁竖向位移在跨中达到最大值，逐渐向两边递减，横向地震响应明显大于纵向地震相应。
        2.3位移结果对比
        如图1所示，在2种地震反应分析方法下发现，主塔的纵向位移都在塔顶1#处最大，采用反应谱分析方法时，1#位置处最大纵向位移为29.12mm；采用时程分析法时，1#位置处最大纵向位移为32.16mm，时程分析得到的位移比反应谱分析得到的位移大3.04mm。主梁的纵向位移都在梁端7#位置处达到最大，采用反应谱分析法时，7#位置处最大纵向位移为16.33mm；采用时程分析法时，7#位置处最大纵向位移为15.21mm，反应谱分析得到的位移要比时程分析得到的位移大1.12mm。横向位移几乎都没有明显变化这说明在纵向和竖向作用下，横向几乎不受其影响。竖向在主跨中间8#位置处产生最大位移，反应谱分析方法下8#最大竖向位移为35.91mm，时程分析法下8#位置处最大竖向位移为40.03mm，时程分析得到的位移比反应谱分析得到的位移大4.12mm。通过对2种方法的分析结果进行对比分析可知，其位移峰值所产生的部位都是一样的，只是位移大小有细微差别，差值都在20%以内，符合规范要求。这表明2种方法对比模拟分析，可以互相校核，为抗震设计提供更加准确的信息。

        图 1纵向位移对比图
        结语
        1)与E2地震作用相比，E1地震作用下，主塔的弯矩、剪力、轴力均较小，因此在工程抗震设计中可将E2地震作用作为最不利的影响因素。2)纵向+竖向地震作用在塔柱行车道位置产生的弯矩出现峰值，在工程设计中该位置一定范围内要适当加固补强。3)在塔梁连接处设置纵向阻尼器，各墩、塔关键截面纵桥向的弯矩有明显幅度的下降，说明设置阻尼器有良好的减震效果，可以减小由于桥塔较高引起的不利结果，不仅能在布置位置发挥作用，且能达到改善结构全局的作用;建议在桥塔处设置液体粘滞阻尼器。4)在E1，E2地震作用下，轴力沿着主塔分布变化的趋势大致相同，出现峰值的位置也基本一致。横向荷载作用下产生的轴力峰值大于纵向荷载作用产生的峰值，抗震设计中，需将横向+竖向地震作用作为最不利荷载考虑。
参考文献:
［1］梅靖宇．超长桩竖向受力承载特性研究［D］．武汉:湖北工业大学，2018．
［2］王磊，陈劲超．常规桥梁抗震设计过程及思路研究［J］．工程技术研究，2020，5(1):208-209．
［3］阮怀圣，李龙安，杨光武，等．黄冈公铁两用长江大桥抗震技术研究［J］．桥梁建设，2013，43(06):34－39.