大跨度斜拉橋地震響應反應譜分析

劉　兵

(中鐵二局二公司， 四川成都 610032)

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大跨度斜拉橋地震響應反應譜分析

劉兵

(中鐵二局二公司， 四川成都 610032)

為了研究大跨度斜拉橋地震響應規律，以某跨徑組合為60+90+150+680+150+90+60 (m)的斜拉橋為例，建立了斜橋的三維有限元模型，考慮橋梁所處不同的地質環境，分析了該大跨度斜拉橋的動力特性，通過計算得出了該橋的關鍵點的位移響應及主塔關鍵截面的內力地震反應響應值。研究結果表明：橋梁關鍵點的位移和主塔關鍵截面的內力響應在100年超越概率水平為2%(E1)最大，當地震力縱向與豎向的組合輸入時，與100年超越概率水平為10%(E3)相比，50年超越概率水平2%(E2)主跨跨中的縱向位移增大了1.51倍，左塔與下橫梁連接處的縱向彎矩、縱向剪力和豎向剪力分別增大了47 %、43 %和44 %；當地震力橫向與豎向的組合輸入時，E1概率水平下主梁跨中的橫向位移為0.64 m，右塔與下橫梁連接處的豎向彎矩、縱向剪力和橫向剪力分別為1 356 MN·m、87 MN和35.4 MN，綜合考慮地質條件與不同地震力組合輸入對該橋的影響是必要的。

大跨度斜拉橋；反應譜；地震響應

本世紀，地震頻發，震級高，對人類的生產和生活造成了極為嚴重的影響，橋梁作為一項生命線公共基礎設施工程，地震時，重要結構一旦發生損壞，短時間內修復難度大，橋上交通陷于癱瘓，嚴重影響了災后的救援工作，人民的生命財產受到重創。為將地震損失降到最低、減少地震的次生災害，根本性在于提高橋梁結構安全可靠性，而可靠性源于合理的抗震設計方法。

目前，國內外對于橋梁結構抗震的研究方法主要有確定性分析方法的反應譜法和時程反應法。

本文借用ANSYS大型通用有限元軟件首先建立了大跨度斜拉橋的三維有限元模型，采用反應譜分析理論，對大跨度斜拉橋進行了地震反應譜分析，得到了該橋型關鍵點的位移與主塔關鍵截面的內力響應規律，為此種橋型的抗震設計提供參考價值。

1　工程算例分析

1.1工程概況

該斜拉橋主跨為680 m，等高的雙塔結構，全橋長度為1 280 m，采用封閉式流線型扁平整幅鋼箱梁，有抗風性能好、整體性強的特點。主梁標準節段長15 m，邊跨梁段長9 m，橋面寬28.7 m，梁高3.5 m，設2.0 %雙向坡，采用半漂浮體系。索塔采用花瓶形式的結構，塔高223.0 m，塔之間由三道橫梁組成，均為單箱單室截面，下橫梁梁高7.0 m、寬10.0 m，中橫梁梁高5.0 m、寬8.0 m，上橫梁梁高3.0 m、寬6 m。每個索面由21對索組成，全橋總計斜拉索168根，呈扇形布置，采用Φ15.2 mm平行鋼絞線體系。

本文借用ANSYS大型通用有限元軟件建立了斜拉橋三維有限元模型(圖1)。雙塔采用beam44單元進行模擬，橋面系采用脊梁式進行模擬鋼箱梁截面，主梁、橫梁采用beam4單元進行模擬，斜拉索采用link8單元進行模擬，用節點耦合進行模擬主梁節點與橋塔橫梁處的支座，縱向為X軸，豎向為Y軸，橫橋向為Z軸。

圖1　三維有限元模型

1.2動力特性

為達到結構響應的精度要求，考慮模型前100階的自振頻率參與計算，暫列出該橋的前5階自振頻率及相應的振型特性(表1)。

表1　動力特性

2　反應譜的選擇

考慮該橋梁所處不同地址，采用三種不同水平的抗震設計方法進行研究評價，此橋采用100年超越概率水平2 %(E1概率)、50年超越概率水平2 %(E2概率)和100年超越概率水平10 %(E3概率)三個概率水準進行計算，反應譜曲線如圖2所示。選取順橋方向和橫橋方向的地震波相同，而選取豎向地震波幅值調整系數為0.60，該橋的阻尼比取0.05。分別計算了E1概率、E2概率和E3概率地震動在三種不同概率不同工況組合下作用下的大跨度斜拉橋地震響應。

圖2　計算反應譜

3　計算結果及分析

計算中取前100階振型進行疊加，豎向反應譜值取水平方向的0.60倍。對于三種概率水平均考慮兩種激勵模式，工況1：縱向+豎向，工況2：橫向+豎向，分別計算各種工況對大跨度斜拉橋關鍵點的位移及主塔關鍵截面的內力影響。

表2～表4分別為E1、E2及E3概率水平下關鍵點的位移響應。主橋關鍵點位移在E1概率水平下最大，E2概率水平下次之，E3概率水平下最小。考慮縱向與豎向激勵時，主橋的縱向位移響應顯著，而橫向位移與豎向位移幾乎沒有響應；考慮橫向與豎向激勵時，主橋的橫向位移響應顯著，而縱向位移與豎向位移響應相對較小。由于橋塔的橫向剛度較大，塔頂的位移較主梁位移響應小。

表5～表7分別為E1、E2及E3概率水平下主塔關鍵截面的內力響應。主塔關鍵截面的內力在E1概率水平下最大，E2概率水平下次之，E3概率水平下最小。由于剛度的變化，塔與下橫梁連接處的響應最大，與中橫梁連接處的響應次之，與上橫梁連接處響應更小，塔頂的響應最小。考慮縱向與豎向激勵時，主塔彎矩主要表現為縱向彎矩，剪力主要表現為豎向剪力和縱向剪力；考慮橫向與豎向激勵時，主塔彎矩主要表現為豎向彎矩，剪力主要表現為橫向剪力和縱向剪力，左塔與右塔的內力響應值相當，偏差在3 %左右。

表2　E1概率水平下關鍵點位移　m

表3　E2概率水平下關鍵點位移　m

表4　E3概率水平下關鍵點位移　m

表5　E1概率水平下主塔的內力

4　結論

(1)不同的反應譜曲線對大跨度斜拉橋的位移和內力均有不同的影響，在E1概率水平下最大，E2概率水平下次之，E3概率水平下最小，因此，抗震設計中根據橋址處的地質情況合理選用與之相符的設計反應譜曲線極為重要。

表6　E2概率水平下主塔的內力

表7　E3概率水平下主塔的內力

(2)由于主塔與下橫梁、中橫梁、上橫梁的連接處，剛度變化比較大，受力比較復雜，內力在此都發生突變，所以塔與橫梁連接處響應較大，這些部位是橋梁抗震方面的薄弱環節，應重視。

(3)工況1作用下，與E3概率水平下相比，E2和E1概率水平下主梁跨中的縱向位移分別增大了51 %和93 %，左塔塔頂的縱向位移分別增大49 %和91 %；工況2作用下，E2和E1概率水平下較E3概率水平下主梁跨中的橫向位移分別增大了50 %和88 %，右塔塔頂的橫向位移分別增大45 %和85 %。

(4)工況1作用下，與E3概率水平下相比，E2和E1概率水平下左塔與下橫梁連接處的縱向彎矩分別增大了1.47倍和1.88倍，左塔與下橫梁連接處的豎向剪力分別增大1.44倍和1.85倍；工況2作用下，E2和E1概率水平下較E3概率水平下右塔與下橫梁連接處的豎向彎矩、縱向剪力均分別增大了1.46倍和1.84倍。

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劉兵(1979～)，男，大學本科，工程師，研究方向為橋梁施工組織。

U442.5+5

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[定稿日期]2016-02-26