基于ansys的鐵路懸索橋地震響應(yīng)分析

基于ansys的鐵路懸索橋地震響應(yīng)分析

大橋的抗疲勞性能得到了高度重視，并進(jìn)行了大量研究。對(duì)其分析過程中關(guān)鍵為確定地震動(dòng)輸入。地震動(dòng)本質(zhì)為空間變化,由于橋梁跨度大、基底延伸長(zhǎng),地基各點(diǎn)振幅、相位差別較大,考慮地震動(dòng)多點(diǎn)非一致輸入極為重要。Abdel-Ghaffar等利用實(shí)際地震記錄分別在時(shí)、頻域內(nèi)對(duì)金門大橋進(jìn)行地震反應(yīng)分析。結(jié)果表明,一致輸入反應(yīng)分析并非代表最不利情況,行波效應(yīng)對(duì)懸索橋的地震反應(yīng)影響顯著。Nakamura等用多點(diǎn)激勵(lì)反應(yīng)譜方法對(duì)金門大橋進(jìn)行分析,認(rèn)為受其柔性影響,以動(dòng)力反應(yīng)分量為主,行波效應(yīng)及多點(diǎn)激勵(lì)對(duì)動(dòng)力反應(yīng)分量影響顯著,且多點(diǎn)激勵(lì)會(huì)致橋塔有小響應(yīng)。Dumanoglu等對(duì)三座歐洲大跨度箱梁懸索橋行波效應(yīng)比較分析發(fā)現(xiàn),在懸索橋的某些部位行波效應(yīng)會(huì)增大地震反應(yīng)。Harichandran等認(rèn)為對(duì)懸索橋進(jìn)行一致輸入分析會(huì)高估某些部位反應(yīng),低估其它部位反應(yīng)。胡世德等通過對(duì)江陰長(zhǎng)江大橋地震反應(yīng)分析,認(rèn)為行波效應(yīng)會(huì)使結(jié)構(gòu)反應(yīng)增大,而多點(diǎn)激振影響較小。郭發(fā)忠通過對(duì)某三跨懸索橋的地震響應(yīng)分析,認(rèn)為由于多支承激勵(lì)引起的柔性結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)中擬靜力部分占比較小,總體上行波效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力反應(yīng)影響不大。有研究只考慮行波效應(yīng)或直接生成人工地震波,雖用兩種方案進(jìn)行計(jì)算,但均未能揭示兩種非一致激勵(lì)考慮方式對(duì)橋梁響應(yīng)影響的根本區(qū)別。只考慮行波效應(yīng)會(huì)高估各點(diǎn)間相關(guān)性,直接生成人工地震波而不進(jìn)行譜擬合則會(huì)致生成的人工地震波反應(yīng)譜值與實(shí)際地震波不符,如長(zhǎng)周期段譜值偏小等,且各點(diǎn)間地震波反應(yīng)譜值差異亦會(huì)造成橋梁地震響應(yīng)變化。本文以某三跨鐵路懸索橋?yàn)槔?基于大型通用有限元軟件ANSYS采用行波輸入與多點(diǎn)激勵(lì)兩種非一致地震激勵(lì)對(duì)鐵路懸索橋進(jìn)行地震響應(yīng)計(jì)算分析,獲得該橋的響應(yīng)變化規(guī)律。對(duì)歸一化后橋梁地震響應(yīng)時(shí)程進(jìn)行傅里葉變換并分析譜值,獲得橋梁各響應(yīng)控制振型變化,給出非一致激勵(lì)對(duì)橋梁地震響應(yīng)影響機(jī)理,揭示兩種非一致激勵(lì)考慮方式對(duì)橋梁響應(yīng)產(chǎn)生影響的根本區(qū)別。1地震波加速度分析各點(diǎn)地震動(dòng)加速度可表示為式中:F(t)為強(qiáng)度包絡(luò)函數(shù);Anm(ωk),θnm(ωk)為考慮第n點(diǎn)與第m點(diǎn)相關(guān)的第k個(gè)頻率分量幅值及相位角;φmk為隨機(jī)相位角,在(0,2π)區(qū)間均勻分布,且相互獨(dú)立。頻率為ωk的地震動(dòng)分量功率譜矩陣可表示為自由場(chǎng)兩點(diǎn)地震動(dòng)互功率譜可表示為式中:ρmn(dmn,ωk)為兩點(diǎn)間功率譜相干函數(shù);dmn為兩點(diǎn)間距離;反映行波作用對(duì)多點(diǎn)激勵(lì)影響。對(duì)相干函數(shù),本文采用適用性較強(qiáng)的屈鐵軍-王君杰-王前信(QWW)模型。通過Cholesky分解為S(iωk)=L(iωk)L*T(iωk),由此,Anm(ωk),θnm(ωk)可據(jù)求得。將各點(diǎn)隨機(jī)相位角項(xiàng)φmk設(shè)為一致,即與各點(diǎn)位置無關(guān)φk,便得局部場(chǎng)地收斂的多點(diǎn)地震波。進(jìn)行反應(yīng)譜擬合時(shí),本文采用考慮相位譜的人造地震動(dòng)反應(yīng)譜擬合方法,可得合理的加速度時(shí)程曲線,但會(huì)在模擬所得地震地面運(yùn)動(dòng)中引入長(zhǎng)周期分量,造成直接積分的速度、位移時(shí)程曲線嚴(yán)重失真。本文通過時(shí)域內(nèi)基線調(diào)整及頻域內(nèi)過濾掉不合理長(zhǎng)周期分量方法達(dá)到零線調(diào)整目的。本文加速度時(shí)程與某組地震波位移時(shí)程對(duì)比見圖1。由圖1看出,考慮多點(diǎn)相關(guān)性多點(diǎn)激勵(lì)輸入的各支承點(diǎn)位移時(shí)程較接近,無明顯延后現(xiàn)象。2中央扣節(jié)點(diǎn)本文以擬建某特大鐵路懸索橋?yàn)橛?jì)算分析模型,用ANSYS有限元分析軟件建模。橋梁為地錨式懸索橋,跨度98m+660m+98m,中跨設(shè)置吊桿,在跨中設(shè)置三對(duì)柔性中央扣,邊跨無吊桿,主塔為混凝土,高196m、156m,主梁用上承式鋼桁梁,橋面寬24m,桁高12m。主桁與橋塔橫梁相交處只設(shè)豎向、橫橋向支座,順橋向無約束,主梁兩端只約束豎向、橫橋向位移。懸索橋立面圖及各支承點(diǎn)編號(hào)見圖2。為簡(jiǎn)化計(jì)算、明確主梁內(nèi)力變化,橋梁有限元模型用魚骨式建模,見圖3。橋梁前10階振型及描述見表1。橋梁前10階振型見圖4。設(shè)置柔性中央扣后橋梁縱飄振型出現(xiàn)被延后,橋梁1階振型為主梁對(duì)稱橫彎。橋梁周期較長(zhǎng),表明該橋?qū)偃嵝越Y(jié)構(gòu)。應(yīng)對(duì)橋梁內(nèi)力、位移進(jìn)行分析研究。3懸索橋承載體地震波的計(jì)算本文將系統(tǒng)對(duì)大跨度懸索橋在兩種不同非一致激勵(lì)方式下地震響應(yīng)進(jìn)行分析。為反映不同輸入對(duì)橋梁地震響應(yīng)統(tǒng)計(jì)意義的變化規(guī)律,生成5組多點(diǎn)地震波進(jìn)行計(jì)算,每組地震波含3種波速,分別為500m/s、1000m/s及2000m/s,每種波速下均含懸索橋的6個(gè)支承點(diǎn)地震波。計(jì)算一致激勵(lì)時(shí)用多點(diǎn)輸入的第1點(diǎn)地震波計(jì)算,行波輸入則對(duì)第1點(diǎn)地震波做延時(shí)處理,以保證幾種輸入方式的可比性。采用常遇地震順橋向加載,按50年超越概率63%計(jì)算,加速度峰值為0.79m/s2,計(jì)算中考慮幾何非線性影響,并設(shè)地震波從左向右傳播。計(jì)算結(jié)果均為用5組地震波分別計(jì)算平均值,且均為與自重荷載組合結(jié)果。分析主梁位移時(shí)為相對(duì)主梁左端相對(duì)位移,分析橋塔位移時(shí)則為相對(duì)各塔底相對(duì)位移。3.1吊桿應(yīng)力分析5組地震波作用、不同輸入方式下主纜及吊桿應(yīng)力平均值見圖5。由表2看出,隨波速變化不同非一致激勵(lì)方式下地震響應(yīng)均有不同。行波輸入下隨波速減小主纜及吊桿最大應(yīng)力均有增大,但幅度較小,主纜應(yīng)力最大增大4.82%,吊桿最大應(yīng)力最大增加3.12%;多點(diǎn)激勵(lì)作用下主纜及吊桿應(yīng)力與一致輸入基本一致,幅值變化約1%?？紤]本文加載地震動(dòng)峰值較小,地震造成的響應(yīng)與自重下內(nèi)力相比較小,按罕遇地震加載時(shí)各響應(yīng)浮動(dòng)百分比應(yīng)增大。多種工況作用下吊桿最小應(yīng)力為0值時(shí)出現(xiàn)于跨中正中部位,表明地震作用下該位置吊桿可能出現(xiàn)松弛,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取必要構(gòu)造措施。不同輸入方式的吊桿應(yīng)力隨吊桿位置分布見圖5。由圖5看出,兩種非一致輸入方式的吊桿應(yīng)力分布與一致激勵(lì)基本一致,僅應(yīng)力幅值有區(qū)別。3.2梁端順橋與順橋向位移不同輸入下的主梁最大地震響應(yīng)見表3。由表3看出,行波輸入下,隨波速的減小主梁最大豎向位移、彎矩及剪力均呈增長(zhǎng)趨勢(shì),波速500m/s時(shí)增幅分別為403.03%、10.88%及4.37%;而梁端順橋向位移及主梁最大軸力變化規(guī)律不明顯,除波速1000m/s有所減小外基本與一致激勵(lì)持平,且梁端順橋向位移有減小趨勢(shì);多點(diǎn)激勵(lì)作用下僅主梁豎向位移有所增長(zhǎng),波速1000m/s時(shí)增長(zhǎng)100%,但總體隨波速變化規(guī)律不明顯;而梁端位移、主梁最大軸力、最大豎向彎矩及剪力亦與一致激勵(lì)基本持平。為進(jìn)一步研究?jī)煞N不同非一致輸入下主梁的響應(yīng)變化規(guī)律,主梁豎向位移、主梁軸力、主梁豎向彎矩及主梁豎向剪力沿梁長(zhǎng)包絡(luò)見圖6~圖9。由4圖看出,不同輸入下主梁響應(yīng)發(fā)生變化區(qū)域均為中跨,兩側(cè)邊跨響應(yīng)基本無影響。行波輸入下主梁跨中豎向位移顯著增大,包絡(luò)形狀由一致激勵(lì)的中跨1/4跨、3/4跨雙峰變?yōu)?/2跨單峰,跨中彎矩明顯增大,剪力變化不明顯。多點(diǎn)激勵(lì)輸入下主梁跨中豎向位移有一定程度增長(zhǎng),但包絡(luò)仍為雙峰形式,主梁豎向彎矩、剪力包絡(luò)無明顯變化。兩種輸入下主梁軸力分布均與一致激勵(lì)相同,區(qū)別僅在于峰值大小。因此,兩種輸入方式對(duì)主梁響應(yīng)有較大不同,考慮非一致激勵(lì)影響時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎選則。3.3基本與一致激勵(lì)并存不同輸入方式下兩側(cè)橋塔最大順橋向地震響應(yīng)見表4。由表4看出,行波輸入下橋塔最大順橋向位移與塔底軸力均有所增加,其中矮塔順橋向位移增加107.28%,塔底軸力增加2.87%,而塔底彎矩及剪力幅值則略有減小,最大減幅分別達(dá)27.21%及26.48%,但隨波速增大各項(xiàng)響應(yīng)均越接近一致激勵(lì)結(jié)果;多點(diǎn)激勵(lì)作用下各項(xiàng)地震響應(yīng)均基本與一致激勵(lì)持平,無明顯變化規(guī)律。圖11~圖14為橋塔順橋向位移、軸力、順橋向彎矩及順橋向剪力包絡(luò),由于包絡(luò)線基本對(duì)稱,僅給出一側(cè)。由4圖看出,不同輸入下,橋塔順橋向位移包絡(luò)發(fā)生明顯變化:一致輸入時(shí)橋塔最大順橋向位移發(fā)生于塔梁固結(jié)處與塔頂間橋塔中部,考慮非一致激勵(lì)后塔頂順橋向位移均不同程度增大,矮塔更明顯。橋塔軸力包絡(luò)無明顯區(qū)別,僅幅值有所區(qū)別。橋塔順橋向彎矩(剪力)包絡(luò)在波速500m/s時(shí)變化較大,并仍以矮塔明顯。此矮塔支承點(diǎn)輸入地震波延時(shí)較長(zhǎng),且矮塔自振周期較高塔短的緣故。對(duì)橋塔各項(xiàng)地震響應(yīng)傅里葉幅值譜進(jìn)行分析。矮塔塔底順橋向彎矩幅值譜見圖15。由圖15看出,該結(jié)果與主梁分析結(jié)果一致,橋塔地震響應(yīng)幅值譜仍為行波輸入下0.253Hz處幅值增加,而多點(diǎn)激勵(lì)作用下則無明顯變化。結(jié)果表明,行波輸入對(duì)大跨度懸索橋影響主要表現(xiàn)為對(duì)一階豎向振型激發(fā),且能使該振型成為部分響應(yīng)的控制振型,多點(diǎn)激勵(lì)對(duì)主要振型無顯著影響。其原因?yàn)樾胁ㄝ斎胂赂鼽c(diǎn)間相對(duì)位移較大,擬靜力位移導(dǎo)致橋梁一階振型激發(fā),多點(diǎn)激勵(lì)因各點(diǎn)間位移時(shí)程相差較小,故無此現(xiàn)象產(chǎn)生。4行波輸入與多點(diǎn)激勵(lì)作用下橋梁地震響應(yīng)本文結(jié)合某大跨度鐵路懸索橋,基于大型有限元通用軟件ANSYS,進(jìn)行兩種非一致激勵(lì)下地震動(dòng)響應(yīng)分析,結(jié)論如下:(1)行波輸入下橋梁主纜及吊桿應(yīng)力隨波速減小而增加,而多點(diǎn)激勵(lì)作用下,主纜及吊桿應(yīng)力與一致輸入基本相同。兩種輸入方式下,吊桿應(yīng)力分布與一致激勵(lì)無明顯區(qū)別。(2)兩種非一致激勵(lì)作用時(shí)主梁豎向位移較一致激勵(lì)均有所增大,行波輸入時(shí)增大更顯著,且隨波速減小增幅增大,并伴隨主梁豎向彎矩、位移包絡(luò)形狀改變;多點(diǎn)輸入作用時(shí)主梁豎向位移隨波速變化規(guī)律不明顯,豎向彎矩、位移包絡(luò)無明顯改變。兩種非一致激勵(lì)作用時(shí)主梁豎向剪力峰值及包絡(luò)變化不明顯。(3)行波輸入時(shí)橋塔最大順橋向位移與塔底軸力均有所增大。而塔底彎矩及剪力幅值則略有減小,但波速越快各項(xiàng)響應(yīng)越接近一致激勵(lì)結(jié)果;多點(diǎn)激勵(lì)作用下各項(xiàng)地震響應(yīng)均與一致激勵(lì)基本持平,無明顯變化規(guī)律。兩種非一致激勵(lì)作用時(shí)塔頂位移均顯著增大。(4)行波輸入對(duì)大跨度懸索橋影響主要表現(xiàn)為對(duì)一階豎向振型激發(fā),而多點(diǎn)激勵(lì)對(duì)主要控制振型無顯著影響。各點(diǎn)間相對(duì)位移較大,擬靜力位移致橋梁一階振型激發(fā),多點(diǎn)激勵(lì)由于各點(diǎn)間位移時(shí)程相差較小。(5)不同輸入下懸索橋地震響應(yīng)的主要控制振型未發(fā)生改變時(shí)其響應(yīng)幅值變化不會(huì)太大。進(jìn)行懸索橋地震響應(yīng)分析前應(yīng)先分析各響應(yīng)主要控制振型,以便選擇合理的地震動(dòng)輸入方式。(6)本文計(jì)算結(jié)果僅考慮常遇地震,所得橋梁地震響應(yīng)變化幅度僅作規(guī)律研究。罕遇