高墩斜拉桥地震反应研究

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近年来随着西部山区交通建设的发展,跨越深山峡谷的大跨径高墩桥梁越来越多,由于西部地区多为高烈度地震区,高墩桥梁的抗震问题较为突出,对于高墩斜拉桥的地震反应,目前研究还较少,为认识高墩斜拉桥的地震响应特点,本文以云南省李仙江大桥为依托工程开展研究。该桥主桥为(62.4+127.6+420+127.6+62.4)m的钢混组合梁斜拉桥,两个索塔的总高度分别为210m和250m,其中桥面以下部分的高度分别为102m和142m。结合该桥,本文进行的主要研究工作和研究结论如下:(1)首先研究了高墩斜拉桥动力特性与一般斜拉桥动力特性的差异。发现高墩斜拉桥刚度明显小于同等跨径的一般斜拉桥,其一阶周期显著大于同等跨径的斜拉桥。分析了主塔墩高变化、塔梁墩梁联结方式对高墩斜拉桥动力特性的影响,计算表明,在一定参数范围内,主塔墩身高度减小时,全桥一阶纵飘周期及全桥一阶横向振动周期与墩高之间均近似呈线性关系减小;改变塔梁墩连接方式,可以显著改变一阶纵漂周期,减小幅度近50%,但对横向自振周期影响很小。(2)通过动力时程分析,计算分析了高墩斜拉桥的地震响应特点,研究了桥塔横梁对桥塔地震响应的影响。由于依托工程索塔墩身较高,周期较大,塔顶及主梁顺桥向的位移响应较大,塔顶顺桥向位移近50cm,主梁顺桥向位移近40cm,值得注意的是由于本桥顺桥向周期较大,其顺桥向位移响应在地震作用结束后响应还较大,衰减速度慢,复位还需要较长的时间;索塔地震响应表明,在塔墩截面突变处,地震响应变化较大,抗震设计应注意塔墩截面位置的抗震能力;横梁对桥塔横向地震响应有较大影响,合理设置横梁数量和横梁尺寸以及横梁位置,可以改善桥塔的横向抗震能力;虽然两个桥塔墩高不同,但桥梁上部结构总体对称,故两个桥塔拉索地震响应基本相同,没有因为两主塔墩身高度不同而表现出较大的差异;依托工程同一横断面位置处的过渡墩和辅助墩为分离的两个桥墩,且两个桥墩墩顶没有横梁,这种情况下,左右两个墩墩顶的支座布置形式应该一致,这样有利于地震力的分配,原设计中的支座布置形式对抗震不利。(3)最后讨论了几何非线性对高墩斜拉桥地震响应影响,分析了拉索垂度效应和几何刚度对全桥动力特性的影响,计算发现,拉索刚度变化主要影响以主梁为主的振型,主塔振型主要受恒载引起的几何刚度变化影响。分别考虑几何非线性与不考虑几何非线性的地震响应分析,结果对比表明,考虑几何非线性时,其位移、索塔及桥墩的剪力、轴力等地震响应最大值都变化较小,但两个索塔弯矩变化较大,考虑几何非线后增大10%~15%,结合其他数据的变化分析可知,弯矩增大主要是由于P-Δ效应引起的;塔顶横桥向位移响应小于顺桥向,所以考虑几何非线性时横桥向弯矩增大比例没有顺桥向弯矩增加的比例大。虽然位移及剪力响应最大值变化不大,但考虑与不考虑几何非线性时的地震时程响应曲线差别比较明显。
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