大跨度懸索橋地震響應(yīng)分析

馬鳳杰，岳建彬，王皓磊

(1.廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530029；2.廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530003；3.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

大跨度懸索橋地震響應(yīng)分析

馬鳳杰1，岳建彬2，王皓磊3

(1.廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530029；2.廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530003；3.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

文章以坭洲水道橋?yàn)楣こ瘫尘?，建立大跨度懸索橋的?dòng)力計(jì)算模型，對(duì)其動(dòng)力特性進(jìn)行了計(jì)算分析，并基于設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜和人工合成地震波，采用反應(yīng)譜法和線性時(shí)程方法，探討了大跨度懸索橋的地震響應(yīng)特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)懸索橋裝置阻尼器的減震耗能作用進(jìn)行了研究。

懸索橋；動(dòng)力特性；反應(yīng)譜；時(shí)程分析；粘滯阻尼器

0 引言

我國(guó)地震災(zāi)害頻發(fā)，地震作為不可抗因素直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全；而作為生命線工程的大跨度懸索橋，因其位置特殊、戰(zhàn)略意義重大、投資巨大，一旦在地震中遭到破壞，帶來的損失將難以估量。因此，對(duì)大跨度懸索橋的地震響應(yīng)特點(diǎn)進(jìn)行研究，把握其規(guī)律，采取正確合理的地震保護(hù)系統(tǒng)，對(duì)確保懸索橋的安全性和經(jīng)濟(jì)性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文以在建的虎門二橋工程坭洲水道橋?yàn)楸尘?，建立起大跨度懸索橋的?dòng)力計(jì)算模型，分析其動(dòng)力特性，探討其在地震動(dòng)作用下的響應(yīng)特點(diǎn)，介紹懸索橋的地震保護(hù)裝置并對(duì)其作用進(jìn)行分析，為類似工程的建設(shè)提供相應(yīng)參考。

1 工程概況

坭洲水道橋?yàn)殡p塔雙跨懸索橋結(jié)構(gòu)，主纜跨徑(658+1 688+522)m；主纜采用高強(qiáng)鍍鋁鋅鋼絲，橫向間距42.1 m，理論矢跨比1/9.5；加勁梁采用流線型扁平鋼箱梁，長(zhǎng)度為(548+1 688)m，梁高4 m，全寬49.7 m(含封嘴、檢修道)，正交異性鋼橋面系，頂板外側(cè)重車道厚18 mm，內(nèi)側(cè)快車道厚16 mm；吊索采用預(yù)制平行鋼絲，銷接式結(jié)構(gòu)，節(jié)間間距12.8 m；索塔為鋼筋混凝土塔，門式框架結(jié)構(gòu)，塔高260 m，兩塔柱間設(shè)三道橫梁；錨碇為空腹式重力錨，地下連續(xù)梁基礎(chǔ)，索塔基礎(chǔ)為D2.8m的鉆孔灌注樁，西側(cè)樁長(zhǎng)88.5m，東側(cè)樁長(zhǎng)82.5m；橋址處為Ⅱ類場(chǎng)地，地震基本烈度為Ⅶ度。坭洲水道橋總體布置圖如圖1所示。

圖1 坭洲水道橋總體布置圖(單位：cm)

2 動(dòng)力特性與地震動(dòng)輸入

采用大型有限元程序建立坭洲水道橋的動(dòng)力計(jì)算模型，主纜和吊索采用索單元模擬，主塔、主梁、過渡墩、樁基礎(chǔ)均采用梁?jiǎn)卧M，考慮到加勁梁為閉口箱梁形式，其截面翹曲剛度相對(duì)于自由扭轉(zhuǎn)可以忽略不計(jì)，因此計(jì)算模型中主梁采用脊梁模型，主梁和吊索用剛臂連接，橋面系采用質(zhì)量單元模擬，考慮樁-土的相互作用，采用彈簧單元模擬土的剛度，彈簧單元?jiǎng)偠炔捎谩癿法”計(jì)算。模型邊界條件為：主塔、過渡墩在樁底固結(jié)；邊纜在錨固處固結(jié)；主塔頂和主纜為主從連接；支承處、索塔的橫向、豎向線位移及其繞順橋縱向的轉(zhuǎn)角位移與加勁梁為主從連接。坭洲水道橋的動(dòng)力計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 坭洲水道橋動(dòng)力計(jì)算模型圖

根據(jù)坭洲水道橋的動(dòng)力計(jì)算模型，采用Subspace求解器計(jì)算得到其特征值，懸索橋前10階動(dòng)力特性見表1，結(jié)構(gòu)前5階振型圖見圖3。

表1 坭洲水道橋的動(dòng)力特性表

從表1和圖3可知：坭洲水道橋基頻為0.043Hz，自振周期較長(zhǎng)，振型特點(diǎn)為主跨橫向?qū)ΨQ彎曲，符合大跨柔性結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)；1～5階為主梁低階振動(dòng)，主梁振動(dòng)較易實(shí)現(xiàn)，6～10階為主梁高階振動(dòng)、主纜振動(dòng)，主塔振動(dòng)在低頻段未出現(xiàn)，說明其具有足夠的剛度。

根據(jù)坭洲水道橋的橋址場(chǎng)地特點(diǎn)及《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/TB02-01-2008)確定其地震反應(yīng)譜特征參數(shù)，100年超越概率10%的地震作用時(shí)，水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜峰值Smax為0.34g，特征周期Tg為0.57s，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05。坭洲水道橋的自振周期較長(zhǎng)，抗震分析時(shí)反應(yīng)譜的長(zhǎng)周期段須涵蓋橋梁的第一階自振周期，因此將其加速度反應(yīng)譜曲線偏保守的延長(zhǎng)至30s。為得到與反應(yīng)譜兼容的加速度時(shí)程，采用三角級(jí)數(shù)法進(jìn)行合成，設(shè)計(jì)反應(yīng)譜及合成反應(yīng)譜曲線如圖4所示，二者吻合良好，合成地震波時(shí)程曲線如圖5所示。地震動(dòng)輸入分別采用縱向和橫向的形式。

(a)第1階振型，T=23.222 s

(b)第2階振型，T=13.664 s

(c)第3階振型，T=11.020 s

(d)第4階振型，T=10.514 s

(e)第5階振型，T=9.072 s

圖4 水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜圖

圖5 合成地震波時(shí)程曲線圖

3 地震響應(yīng)分析

分別采用反應(yīng)譜法和線性時(shí)程法計(jì)算得到坭洲水道橋的地震響應(yīng)值，反應(yīng)譜法分析時(shí)高階陣型影響大，取前800階振型，振型組合采用CQC法?？v向和橫向地震作用下，坭洲水道橋N1主塔和加勁梁的彎矩峰值圖如圖6～7所示，圖中x、y、z分別表示橋梁縱向、橫向和豎向。

(a)N1#主塔彎矩峰值圖

(b)加勁梁彎矩峰值圖

(a)N1#主塔彎矩峰值圖

(b)加勁梁彎矩峰值圖

由圖6可知，縱向地震作用下，主塔縱向彎矩塔底最大，塔高170m左右時(shí)形成另一較小峰值，整體呈反“S”形分布；加勁梁縱向彎矩較大峰值均出現(xiàn)在邊跨，分布極為不均勻。由圖7可知，橫向地震作用下，主塔橫向彎矩峰值沿塔高呈波浪形分布，塔底彎矩最大，加勁梁橫向彎矩較大峰值出現(xiàn)在主跨中點(diǎn)處截面，橫向地震作用下的主梁橫向彎矩值是縱向地震作用下主梁縱向彎矩值的數(shù)倍，說明結(jié)構(gòu)以橫向受力為主。線性時(shí)程法的計(jì)算結(jié)果均小于反應(yīng)譜法，且反映出一致的變化規(guī)律。

4 粘滯阻尼器減震作用分析

為降低地震發(fā)生時(shí)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的破壞，懸索橋可采用多種地震保護(hù)裝置，如橡膠支座、摩擦擺、各種阻尼器、防屈曲支撐等。坭洲水道橋采用了粘滯阻尼器作為主要的地震保護(hù)系統(tǒng)，其參數(shù)為：速度指數(shù)α=0.3，阻尼系數(shù)C=6 000kN(s/m)0.3，阻尼力4 169kN，最大速度V=0.297m/s，本構(gòu)關(guān)系F=CVα。利用前述的動(dòng)力計(jì)算模型，對(duì)粘滯阻尼器的耗能作用進(jìn)行分析，粘滯阻尼器用Maxwell模型模擬，輸入地震動(dòng)縱向時(shí)程曲線進(jìn)行橋梁抗震計(jì)算，在有、無阻尼器裝置兩種工況時(shí)，加勁梁的縱向彎矩值對(duì)比如圖8所示。由圖8可以看出，粘滯阻尼器的減震耗能作用有效降低了加勁梁的彎矩峰值，特別是塔梁交接處截面的彎矩值，其減震效率達(dá)到了34%，這對(duì)結(jié)構(gòu)受力是十分有利的。

圖8 加勁梁彎矩峰值對(duì)比圖

5 結(jié)語

本文以坭洲水道橋?yàn)楸尘?，?duì)超大跨度懸索橋的動(dòng)力特性、地震響應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算研究，探討了懸索橋地震響應(yīng)的特點(diǎn)，并對(duì)粘滯阻尼器的消能作用進(jìn)行了對(duì)比分析，得到了如下一些結(jié)論：

(1)坭洲水道橋基頻為0.043Hz，基本周期23.222s，自振周期較長(zhǎng)，低階振動(dòng)以主梁振動(dòng)為主，主塔具有較大剛度，其振動(dòng)較難實(shí)現(xiàn)。

(2)縱向地震動(dòng)作用下，主塔縱向彎矩呈反“S”形分布，加勁梁縱向彎矩峰值出現(xiàn)在邊跨部分；橫向地震動(dòng)作用下，主塔橫向彎矩呈波浪形分布，加勁梁橫向彎矩值是縱向地震時(shí)的數(shù)倍，主梁結(jié)構(gòu)以橫向受力為主。

(3)粘滯阻尼器的設(shè)置能有效降低懸索橋加勁梁的彎矩峰值，起到減震耗能的作用，改善部分截面的受力狀態(tài)，對(duì)結(jié)構(gòu)是有利的。

[1]范立礎(chǔ).橋梁抗震[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1996.

[2]范立礎(chǔ)，王志強(qiáng).橋梁減隔震設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]康斯坦丁諾.橋梁地震保護(hù)系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2012.

[4]豐 碩，項(xiàng)貽強(qiáng)，謝 旭.超大跨度懸索橋的動(dòng)力特性及地震反應(yīng)分析[J].公路交通科技，2005，8(22)：31-35.

[5]王 倩.橋梁抗震粘滯阻尼器參數(shù)分析研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2011.

Seismic Response Analysis of Large-span Suspension Bridge

MA Feng-jie1，YUE Jian-bin2，WANG Hao-lei3

(1.Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029；2.Guangxi Polytechnic of Construction，Nanning，Guangxi，530003；3.Central South University of Forestry and Technology，Changsha，Hunan，410004)

With Nizhou Channel Bridge as engineering background，this article established the momen-tum calculation model of large-span suspension bridges，calculated and analyzed its dynamic characteristics，and based on the design acceleration response spectra and synthetic seismic waves，it dis-cussed the seismic response characteristics of large-span suspension bridge by using the response spectrum method and linear time-history method，while it studied the energy-consuming and damping effect of suspension bridge damper.

Suspension bridge；Dynamic characteristics；Response spectrum；Time history analysis；Viscous damper

馬鳳杰(1980—)，工程師，主要從事橋梁隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作；岳建彬(1983—)，副教授，主要從事道路橋梁教學(xué)工作；王皓磊(1981—)，講師，主要從事橋梁工程教學(xué)和科研工作。

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.07.012

1673-4874(2015)07-0049-04

2015-06-02