某大跨度斜拉橋抗震性能分析

李 成，劉向榮，施 飛

（中建三局基礎(chǔ)設(shè)施事業(yè)部，湖北武漢 430070）

0 前言

本文的研究對(duì)象為潤(rùn)揚(yáng)大橋北汊斜拉橋，該橋?yàn)槿邕B續(xù)鋼箱梁斜拉橋,主跨位于R=50000 m的圓弧豎曲線上。主梁為全焊扁平流線型封閉鋼箱梁，其上翼緣為正交異性板結(jié)構(gòu)。鋼箱梁高3 m(中心線處)，寬37.4 m（含風(fēng)嘴）。索塔采用空間索面花瓶形混凝土結(jié)構(gòu)，南塔高146.888 m，北塔高143.026 m,橋面以上塔高109.4 m，索塔均為群樁基礎(chǔ)。在索塔下橫梁上設(shè)置豎向支座，形成半漂浮體系。斜拉索采用空間雙索面平行鋼絞線拉索體系,梁段標(biāo)準(zhǔn)索距為15 m。該橋橋址處的地震基本烈度為Ⅶ度，場(chǎng)地類型為Ⅱ類[1]。

1 計(jì)算模型

在工程實(shí)際中一般采用空間有限元分析模型進(jìn)行抗震計(jì)算分析，動(dòng)力計(jì)算模型的模擬一般著重于結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量和邊界條件的模擬。本文利用Midas civil 2010有限元軟件建立計(jì)算模型。采用脊梁模式對(duì)主梁進(jìn)行模擬，通過(guò)截面特性器采用薄壁線單元對(duì)薄壁鋼箱梁進(jìn)行模擬。斜拉索采用桁架單元模擬，單元未進(jìn)行彈性模量折減，直接作為線彈性單元處理。主塔采用三維梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，采用矩形混凝土-鋼箱形組合截面對(duì)塔柱橫截面進(jìn)行模擬。本橋的索塔基礎(chǔ)均為群樁基礎(chǔ)，考慮到群樁均嵌固在基巖中，在模型中未考慮樁長(zhǎng)和樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用的影響，對(duì)基礎(chǔ)承臺(tái)進(jìn)行固結(jié)處理。本橋采用彈性約束的半漂浮體系，采用彈性連接中的一般連接進(jìn)行模擬，支座剛度根據(jù)支座參數(shù)進(jìn)行合理選取[2]。

基于有限元理論及上述分析方法，采用Midas civil 2010建立潤(rùn)揚(yáng)大橋北汊斜拉橋三維動(dòng)力計(jì)算有限元模型，見(jiàn)圖1。

2 動(dòng)力特性分析

本文采用使用于大型對(duì)稱結(jié)構(gòu)的Lanczos法[3]對(duì)上圖中的三維動(dòng)力計(jì)算模型進(jìn)行模態(tài)分析，并取前10階振型，所得到前10階振型的模態(tài)號(hào)、周期、頻率以及對(duì)其振型的特征描述見(jiàn)表1。前4階振型圖見(jiàn)圖2。

表1 潤(rùn)揚(yáng)大橋北汊斜拉橋自振頻率和振型特征表

通過(guò)對(duì)潤(rùn)揚(yáng)大橋北汊斜拉橋的前十階自振頻率及相應(yīng)振型表和振型圖分析可以基本得出本斜拉橋動(dòng)力特性特點(diǎn)：

（1）本橋基本周期較長(zhǎng)，約為6.80 s，屬于長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)，一階振型為縱飄振型。

（2）本橋在塔梁交接處采用了彈性支承形成半漂浮體系，其明顯降低了第一階縱飄振型的自振周期，比較有效地控制了結(jié)構(gòu)在地震作用下的順橋向位移。

（3）大跨度斜拉橋的一階對(duì)稱橫彎和一階對(duì)稱豎彎一般都比較靠前。

3 地震反應(yīng)分析

地震反應(yīng)分析中分別采用修正的規(guī)范反應(yīng)譜法和動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，按照規(guī)范[4]采用三維組合地震波輸入并分三種工況進(jìn)行分析：工況一、1.0順橋向+0.3橫橋向+0.3豎橋向；工況二、0.3順橋向+1.0橫橋向+0.3豎橋向；工況三、0.3順橋向+0.3橫橋向+1.0豎橋向。

3.1 反應(yīng)譜分析

動(dòng)力反應(yīng)譜方法[5]利用地震荷載概念，通過(guò)求解地震動(dòng)控制方程而得到結(jié)構(gòu)的最大地震反應(yīng)，在計(jì)算中考慮了地面運(yùn)動(dòng)加速度紀(jì)錄特征、結(jié)構(gòu)振動(dòng)周期以及阻尼比等動(dòng)力特性，是目前橋梁結(jié)構(gòu)抗震分析常用的一種方法。

本文根據(jù)橋址場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)對(duì)規(guī)范反應(yīng)譜進(jìn)行修正，得到水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜曲線（見(jiàn)圖3），豎向設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜可以由水平向設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜乘以譜比函數(shù)0.65確定，對(duì)于多維地震動(dòng)輸入下采用SRSS法進(jìn)行組合。三維地震動(dòng)組合作用下反應(yīng)譜分析的位移響應(yīng)峰值和內(nèi)力響應(yīng)最大值見(jiàn)表2、表3。

表2 三維地震動(dòng)組合作用下反應(yīng)譜分析的位移響應(yīng)峰值表（單位：cm）

表3 三維地震動(dòng)組合輸入下反應(yīng)譜分析的內(nèi)力響應(yīng)最大值

3.2 動(dòng)態(tài)時(shí)程分析

在采用動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震響應(yīng)反應(yīng)分析時(shí)，需要選擇合適的地震時(shí)程加速度進(jìn)行輸入，時(shí)程加速度選擇時(shí)要充分考慮橋址場(chǎng)地特征條件。考慮到目前大多數(shù)實(shí)際工程中橋址擬建場(chǎng)地并無(wú)實(shí)際地震記錄，所以只能選擇與擬建場(chǎng)地同類地質(zhì)條件下記錄到的地震波進(jìn)行計(jì)算分析[6]。

本文在對(duì)潤(rùn)揚(yáng)大橋北汊斜拉橋地震反應(yīng)時(shí)程響應(yīng)分析時(shí)，采用進(jìn)行強(qiáng)度和周期修正的埃爾森特羅波（EI-Centro）進(jìn)行抗震動(dòng)力分析，并考慮地震紀(jì)錄時(shí)間為40 s，地震加速度時(shí)程輸入時(shí)采用直接加速度法（DAM）。

修正后EI-Centro-h波 順橋向輸入見(jiàn)圖4。三維地震波(EI波)一致激勵(lì)輸入下結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)峰值見(jiàn)表4。三維地震波(EI波)輸入下結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)最大值見(jiàn)表5。

表4 三維地震波(EI波)一致激勵(lì)輸入下結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)峰值表（單位：cm）

表5 三維地震波(EI波)輸入下結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)最大值

3.3 規(guī)范反應(yīng)譜分析與時(shí)程分析結(jié)果對(duì)比

對(duì)反應(yīng)譜三維組合分析和三維EI波時(shí)程分析時(shí)的控制截面位移和內(nèi)力峰值進(jìn)行簡(jiǎn)單的比較分析。

（1）對(duì)比時(shí)程分析和反應(yīng)譜分析的位移峰值，主梁的橫向位移峰值在時(shí)程分析時(shí)為18.39 cm略大于反應(yīng)譜分析中的13.1 cm，但是主梁的縱向位移和豎向位移結(jié)果反應(yīng)譜分析中偏大；索塔塔頂?shù)臅r(shí)程分析縱向位移12.34 cm則是小于反應(yīng)譜分析的21.1 cm，索塔塔頂?shù)臋M向位移和豎向位移在兩種情況下結(jié)果近似相同。

（2）對(duì)結(jié)構(gòu)主要控制截面在反應(yīng)譜和時(shí)程兩種分析時(shí)的內(nèi)力峰值進(jìn)行對(duì)比可以得出：主梁、索塔以及索塔基礎(chǔ)承臺(tái)的軸力均是在反應(yīng)譜分析時(shí)值較大；同時(shí)通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在時(shí)程分析時(shí)，主梁的豎向彎矩和橫向彎矩均有不同程度的增大，索塔和索塔基礎(chǔ)承臺(tái)的豎向彎矩均是時(shí)程分析時(shí)取得較大值，但是橫向彎矩則是在反應(yīng)譜分析時(shí)值較大。

4 結(jié)論

（1）塔頂?shù)目v向和橫向位移,主梁的豎向彎曲是在抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的地震響應(yīng)。

（2）反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法對(duì)潤(rùn)揚(yáng)大橋北汊斜拉橋進(jìn)行地震反應(yīng)分析結(jié)果基本一致,說(shuō)明計(jì)算結(jié)果能夠反應(yīng)實(shí)際地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

（3）通過(guò)對(duì)截面內(nèi)力值的比較分析可以看出，在對(duì)大跨度斜拉橋進(jìn)行抗震性能分析時(shí)，僅僅對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)選擇規(guī)范反應(yīng)譜進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析是不夠的，還需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)時(shí)程分析，結(jié)合二者的數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

（4）鑒于該橋的重要性，在進(jìn)行抗震驗(yàn)算外，還應(yīng)重視抗震概念設(shè)計(jì)，采取局部構(gòu)造措施，滿足規(guī)范中設(shè)防原則。

[1]狄息生,倪國(guó)華,陳曰友.鎮(zhèn)江市工程地質(zhì)條件與地震動(dòng)分區(qū)[J].工程抗震,2002(2):10.

[2]邢月英.JT/T 391-2009公路橋梁盆式支座標(biāo)準(zhǔn)介紹[J].公路,2009(8):294-299.

[3]胡世德,范立礎(chǔ).斜拉橋動(dòng)力計(jì)算有限元模式的討論[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),1991增刊-結(jié)構(gòu)（橋梁版）.

[4]公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則[S].北京:人民交通出版社,2008.

[5]李國(guó)豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動(dòng)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1992.

[6]葉愛(ài)君.大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)[D].上海:同濟(jì)大學(xué),1998.