深水库区铁路斜拉桥地震反应分析

2014-05-30王志鹏

铁道标准设计 2014年6期

王志鹏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

随着世界经济的不断发展，为了跨越宽广的水面，桥梁在不断朝着大跨度发展的同时，也出现了越来越多的深水桥梁［1-2］。深水桥梁在地震作用下会引起结构周围水体的辐射波浪运动，由于桥墩与水的相对运动，水对桥墩会产生动水压力。该动水压力不仅会改变结构的动力特性，还会影响结构的动力响应，充分认识动水压力对深水桥梁地震反应的影响，对于桥梁抗震设计具有重要意义［3-4］。

文献［5］以漭街渡大桥为工程背景，研究在地震作用下水体对结构地震响应的影响程度。计算分析结果表明，水体对漭街渡深水桥梁动力特性及地震反应的影响较为显著，不能忽略。文献［6］通过一个深水桥墩实例，对中国与日本桥梁抗震规范的地震动水压力计算方法进行比较研究。结果表明，附加质量法求得的位移和弯矩比不考虑动水作用的情况有较大增幅。文献［7］通过对宏基大桥深水高墩大跨连续刚构桥地震反应分析，指出动水压力的作用不仅使桥梁结构的自振频率明显降低，而且使梁体和桥墩的位移和内力显著增大。文献［8］结合长江三峡库区内的某双塔斜拉桥，采用Westergaard的附加质量方法来模拟水对桥墩的动水压力。结果表明:考虑动水压力的情况下，桥塔根部的内力(纵向剪力、面内弯矩)是增大的，即考虑动水压力，地震对桥梁结构的响应是增大的，且桥塔结构是最危险的部位。

以某大跨深水库区铁路斜拉桥为工程背景，建立了考虑动水压力影响的三维有限元分析模型，分析了动水压力对桥梁动力特性及地震反应的影响，指出了桥塔的危险控制截面，所得结论可为同类桥梁工程抗震设计参考。

1 工程概况及计算模型

某斜拉桥桥跨布置为(140+350+200)m高低塔钢桁斜拉桥。钢桁梁采用2片主桁，桁宽17 m，梁上索距12 m，主桁为N形桁架，桁高14.5 m，节间距为12 m。桥面为正交异性板钢桥面密横梁体系。斜拉索设计为扇形双索面，斜拉索用φ7 mm环氧涂层平行钢丝，冷铸锚，钢丝的极限强度为1 770 MPa。桥塔为“H”形，两主塔高度分别为250、280 m。桥址位于Ⅷ度地震区，设计地震水平加速度为0.2g;反应谱特征周期 Tg为 0.40 s。

抗震分析中采用全桥空间有限元建模，主桁架各杆件、主塔、桥墩、主梁及承台均采用空间梁单元模拟，支座采用主从自由度约束模拟，斜拉索采用桁架单元模拟(考虑恒载内力引起的几何刚度影响)。地基及基础对结构的作用简化成平动及转动弹簧施加于承台底。空间有限元动力分析模型见图1。

图1 全桥有限元分析模型

2 水体附加质量的考虑

根据该桥的桥下水库规划最高水位，该桥2个主塔塔身约135 m处于水下。《铁路工程抗震设计规范》(GB50111—2006)(2009 年修订版)［9］规定:梁式桥跨结构的实体桥墩，在常水位以下部分，当水深超过5 m时，应计入地震动水压力对桥墩的作用。所以在该桥的自振特性及地震反应分析中，应考虑地震动水压力对该桥的影响。

本文采用附加质量法来模拟水体对结构的动力作用。桥塔附加水质量的计算模型见图2，计算公式见式(1)、式(2)，由此得到桥塔的附加水体质量见图3。本文将各桥塔的附加水体质量分布在桥墩hw范围内的模型节点上，附加的水体质量用质量单元模拟［10-11］。