考虑行波效应的矮塔斜拉桥弹塑性分析

低温建筑技术

LOW TEMPERATURE ARCHITECTURE TECHNOLOGY

第40卷第8期

2018年8月

DOI：10.13905/j. cnki. dwjz. 2018. 08. 020

考虑行波效应的矮塔斜拉桥弹塑性分析

李启萌，宁晓骏，张敏，耿黎娜

(昆明理工大学建筑工程学院，昆明650500)

【摘要】行波效应是由于地震波到达结构物不同支点的时间差而产生的影响效应，本文以一座三塔矮塔斜 拉桥--欧江特大桥为工程实例，利用Midas/civil 2015有限元软件建立该桥的有限元模型。通过采用大质量法对 行波效应进行模拟，分析研究该桥在地震响应下弹塑性 不同地震波下 响应下弹塑性分析影响

【中图分类号】TU313

塑性

交的变化

结 。

【文献标志码】A

【文章编号】1001-6864(2018)08-0062-04分析行波效应的影响程

影响

通过对在

，得出了行波效应对处于软土地基的

矮塔斜拉桥在地震

【关键词】矮塔斜拉桥;行波效应;地震响应

THE EFFECT OF TRAVELLING WAVE EFFECT ON ELASTIC-PLASTIC ANALYSIS OF

LONG-SPAN SHORT-PYLON CABLE-STAYED BRIDGELI Qimeng,NING Xiaojun,ZHANG Min,GENG Lina

(Kunming Univ. of Science and Technology, Construction Engi. College, Kunming 650500, China)Abstract: The traveling wave effect is caused by the time difference that the seismic waves arriv­ing at the different fulcrum of the structure. A multi-short-pylon cable-stayed bridge is discussed as an engineering case in this paper. With the help of Midas/civil 2015 (finite element software) the finite el­ement model of the bridge is built. And the traveling wave effect is then simulated by using Large Mass Method, this paper studies the influence of traveling wave effect on the elastic-plastic analysis. By com­paring the variation patterns of displacement, internal force and plastic hinge angle under different seismic waves speed. It's concluded that traveling wave effect has great influence on the elastic-plastic analysis of the bridge in soft soil.

Key words： short-pylon cable-stayed bridge; traveling wave effect; seismic response

0

引言

矮塔斜拉桥， 。 塔斜拉桥 应用

有

拉桥

对于

为分斜拉桥，

出 ，该桥型在

桥型是在的的

矮的

1

构)桥斜拉桥间 的斜拉桥，该桥型

斜拉桥矮， [1]。三 ，而

矮塔斜拉桥在结构性

构）桥斜

间的桥型选择，是100~300m桥

，支点

，地

特点是桥塔

的桥结构

鉴于目前 且行波效应对M文主要根据

矮塔斜拉桥在世界地纷纷涌现，度桥梁抗震分析的影响较大[4]。故本 一已建成的矮塔斜拉桥建立有限

分析的影响作用影响

元模型，并考虑桥墩、桥塔的弹塑性，然后分析行波 效应对地震响应下 的参考作用。工程概况

本桥跨越河流而设，桥跨布置为（140+2 x 225+ 120)m，采用三塔四单索 壁墩，采用塔墩固结

式，主桥全长达到 所在地地震峰值加

710m。主采用预应混凝土箱，桥墩采用双肢薄 为0.05g，反应谱特征周期为0.35&，桥抗震设防类 别为A ，抗震设防烈为6度，抗震设防措施为7级，地件为

，希望够对矮塔斜拉桥的抗震设计工作起一

之间可供选择且具有竞争力的桥型方案[2]。震波在地基以一波 产生

变化效应，

效应

结构支点处时，的变化效应 效应

行波

由于地震波在传播过程中经历了不同地质条件[3]，可 效应分

地效应，.支承点出现位

III

地。

以行波效应的影响 时间的

差。

行波效应的产生是由于地 桥立布置图如图1所示。为便后文表述，从左 右依次义为1#、2#、3#桥塔，双肢薄壁墩从左右依次 为1#左墩、1#右墩、2#左墩、2#右墩、3#左墩、3#右墩。

震波达桥支承点的时间差

第6期李启萌等:考虑行波效应的矮塔斜拉桥弹塑性分析

71000

63

图1

桥梁立面布置图(单位:cm)

2有限元模型的建立和行波效应的模拟

2.1有限元模型的建立

准确合理的建立桥梁结构的有限元模型是使用

有限元软件进行动力分析的前提和关键。根据《公路 桥梁抗震设计细则》6.3.2条%5(，桥梁结构动力计算模型 应能够正确反映桥梁上部结构、下部结构、支座和地 基的刚度、质量分布及阻尼特性。

本文米用大型有限元软件Mi+as/civil 2015建立 有限元模型，模型中的全桥主要构件是桥塔、桥墩、 主梁、斜拉索、桩基及边界条件。全桥有限元模型共 有2099 ，2077个单元，85 主要

力 有 斜拉索索力、

预应力、挂篮

、二期恒载等；预应力

道

0.15， 道

部

的

0.0015， 0.006，下

张拉

应力

1395MP,

度

209，

-35;。有限元模型

$2.2桥墩、桥塔 性的模

据《公路桥梁抗震设计细则〉》

， E2地

震用，桥梁 进性

，

要

进行结构的 性

地震反应分析，

的结构地震应。

性

分析的主要因是 性，正确的

性

性的应力-应关

桥梁结构地震应下

的

性分析 关 要。 应力 - 应 关 是 的本构关，是确桥梁结构中 性

分析的，

性

分析的准确性。

本文采用性 元桥墩桥塔的

性进行模 拟。性的

是

结构构件

力用下出

有

， 的 是

性 。 性 ，等

结 构件

塑性 的 分离构件，性 边的结构构件

可

微小转动，

当于这个结构构件减少

约

束。在E2地震用下，桥梁结构的桥墩、桥塔各个部位

都可能会 性，形成塑性，性铰的转动变

能够吸收部分地震能量。性不止是

，更可

能会 部区域 性

，这在Midas/civi12015

中

集中

分布。进行

性分析，性铰

的设置位置是比较重要的，本文将性 加在桥墩

桥塔元上。2.3行波效应的模

目前行波效应主要的分析方法是域法频域 法，以域法的应用较为广泛% 6(。域法是 间历

进行行波效应分析，用位

观

地震波达

桥梁支承的异，计算原理明确，被通用有限元软 件米用较多。在本文使用的Midas/civil 2015软件中，通 过多激励分析来考虑行波效应，多激励分析是 给不的桥梁支承输不的地运动 的分析方法，多激励动态

分析的方法主要有

运

动Mass法(RelativeMethod Motion Method，RMM)和大质量法(Large

，LMM)，相对运动法的应用范围只限于

性动力分析，而大质量法的应用

涵盖

性动

力

分析

性动力

分析。

本文采用多激励分析模地震波行波效应，

方法采用的是大质量法(LMM )，大质量法是对结构

模型进行动力等效的一种分析方法，该方法可以用于

性分析，其质是通过质量矩阵主对角元充大

的方法来，有数学表达简，结果精确的特 。该方法 Midas/civil 2015中的实现方式是在

地 上加当于结构总质量106倍的质量，并释放该

与地震力输入方向

度，然

加地震

波应的地震力该，以来带动结构的应，附 加大质量是 使结构的总质量

大质量来说可

以忽略不计，则加

上的加速度似相等

加

结构上的加速度。

本文进行行波效应的模的计算 下:①假

震位与桥梁支承 位置，这

以波速可以 地震波达支承的间，

不要考虑地震波 方向与支承

方向的夹

角，可以简计算;②只考虑支承地震波位

的，而忽略了地震波 过程中的频散、衰减、波形

改等 ③ 行波效应只顺桥向产

，忽

略横桥向

桥向

。

64

低温建筑技术第40卷

地震波采用 TH4TG045(1984, nrg_90_nor)波，并根 据场地条件进行调幅[7]。地震波在基岩中传播速度为 2000〜2500m/,，在软土层中为50〜250m/,。根据大桥的 场m地特点，在1000m/,及以下从50 m/,开s始每隔50

/s取一*个波速，1000m/s以上到2500m/每隔250m/s

取一个波速，共取波速26个，只进行顺桥向输入。3

行波效应对矮塔斜拉桥在地震响应下弹塑性分析

的影响

限于篇幅，下文仅列出1#、2#、3#桥墩左肢墩墩顶顺 桥向最大位移，顺桥向最大弯矩！\"，塑性铰最大转角 在一致激励与行波效应下的变化对比图，并根据分析 数据及所列图

应的分析，

出最

。

3.1行波效应对墩顶位移的

J狳奮養

1000 1500

波速/(m-s_1)

图3 1#桥墩左肢墩墩顶一致激励与行波效应

下顺桥向位移峰值对比图

1000 1500 200(2500波速/(m-s_1)

图4 %#桥墩左肢墩墩顶一致激励与行波效应下

顺桥向位移峰值对比图

始

% 2.600E+0.2

2.400E+0.22.200E+0.22.000E+0.2

1000 1500 20002500

波速/(m-s_1)

图5 3#桥墩左肢墩墩顶一致激励与行波效应下

顺桥向位移峰值对比图

图3、图4、图5分为1#、2#、3#桥墩左肢墩墩顶 顺桥向最大位移在一致激励与行波效应下的对比图。

图3、图4、图5

以出:①1#和3#桥燉左肢墩

墩顶位移的最大波动值较大，1#桥燉左肢墩墩顶在50m/s 波速下.对于一致激励时位移减小22.2H，3#桥墩左肢墩 墩顶在50m/,波速下对于一致激励时位移大9.2H; ②同一位不同波速下，波速.

位

大，行波效应

致位移大

减小，

图.波动性，波速，

图波动大，波速小于500m/,时波动最大;③同一 位不同波速下，波速.位差越小，行波效应对位移

小，麵位移

于一致激励。

3.2行波效应对墩顶

的

图6、图7、图8分为1#、2#、3#桥墩左肢墩墩顶 顺桥向最大弯矩值在一致激励与行波效应下的变 化对比图。

—致激励下MY

350000

300000 0 ------------------------------------------------500 1000 1500 2000 2500

►

波速/(m-s_1)图6 1+桥墩左肢墩墩顶一致激励与行波效应下最大对比图

0 500 1000 1500 2000 2500

波速/(m-s_1)

图7 %#桥墩左肢墩墩顶一致激励与行波效应下最大对比图

450000

150000

0

500

1000 1500

2000

2500波速/(m-s_1)

图！ 3#桥墩左肢墩墩顶一致激励与行波效应下最2

对比图

第）期李启萌等:考虑行波效应的矮塔斜拉桥弹塑性分析

65

3.3行波效应对墩顶塑性转角的影响

图9、图10、图11分别是1#、2#、3#桥墩左肢墩墩 顶塑性铰最大转角在一激励与行波效应下的变化对 比图。

0.00125』0.001150.00105

1000

1500

2500

波速/(m-s_1)

图！ 1#桥墩左肢墩墩顶一致激励与行波效应下

塑性铰最大转角RY对比图

IJ o 500 1000 1500 20002500

波速/(m-s_1)

图

1 o 2#桥墩左肢墩墩顶一致激励与行波效应下 塑性铰最大转角RY对比图dpo55Ado.00d1 0454-5-3-odP52o5-d.00--oI0215-d.0001--.OI5

0

500

1000

1500

2000

2500

波速/(m-s_1)

图11 3#桥墩左肢墩墩顶一致激励与行波效应下

塑性铰最大转角RY对比图

通过对比图6与图9、图7与图10、图8与图11

可以看出，转角！\"峰值与弯矩峰值在行波效应 下具有相同的变化规律;2#、3#桥墩曲线非常相似，说 明行波效应使得许多波速下弯矩峰值有所降低， 许多塑性铰位于同一屈服阶段，所以转角和弯矩线性 相关，使得两者曲线相似；而1$桥墩由于墩顶弯矩峰 值较2#、3#桥墩大，虽然行波效应下使得弯矩峰值 降低，但是部分塑性铰进入不同屈服阶段，所以与

峰值的变化曲线相似度降低，波速下弯矩峰 值与！\"峰值 有

线性相关。

4

结语

(1)行波效应影响下，波速低，行波效应

面的位移值相对于一激励产生波

动，尤其500m/S的波速波动最大。可在，低波速时行波效应对塑性动 分

的位 移产生较大影响，在类似

似大

桥的 应

对行波效应的

。(2 行波效应时，可在波速较，相位差较

， 波速的大，位移

值是不

于

一激励的，波速大于1000m/-以

，位移结果值

是 不于一激励 ；可在

，波速行波效应对塑性动

分

的位移 影响较

(3) 在行波效应的影响下，塑性动力时程分析

的 与位移

变化规律似，在500m/-以内

波速，

的波动较大，相对于一致激励，大的最大值在20.以上，对于

的大桥，行波效应是

的影响 ，

波速大于1000m/-以

，

值是

不

于一 激励

的；可 在

，波速行波效应对塑性动

分的

结

影响较。

(4) 在行波效应的影响下，在不同波速时塑性铰

转角的变化规律同 的变化规律似，说明大

多塑性铰在行波效应的影响下是于同一屈服 阶段，但是塑性铰转角的波动

较

的波动

大，所以在 行波效应进行塑性动 分

，

值大较多，部分塑性铰可进入

的屈服阶段，应

塑性铰转角的大

。

参考文献

[1]王伯惠.斜拉桥结构发展和中国经验[M].北京:人民交通出版

社,2003:5-176.[2

，王凯，等.浅谈部分斜拉桥[J].桥梁建设,2002,41 (1):

44-47.

[3 ]葛俊颖.桥梁工程软件mida-civil使用指南[M].北京:人民交

通出版社,2013.

[4] 刘文浩.大跨度连续刚构桥的弹塑性地震反应分析[D].长沙:

长沙理工大学,2008.

[5]

JTG/TB02-01-2008,公路桥梁抗震设计细则[S].

[6] 何庆祥,沈祖炎. 行波效应分综述[J].地震工程与工

程振动,2009,29(1 ):50-57.

[7 ]范立础,胡士德,叶爱军.大跨度桥梁抗震设计[M ].北京:人民交

通出版社,2001.[收稿日期]2018-04-18

[作者简介]李启萌（1991-)，男，云南宣威人，硕士研究生，研究方

向:桥梁与隧道

。