非對稱混合梁斜拉橋行波效應和余震響應分析

宋 杰

（廣州攬睿路橋設計有限公司，廣東 廣州 510520）

0 引言

隨著中國交通基礎設施的蓬勃發展，大跨度混合梁斜拉橋的抗震設計工作逐步體現出重要性[1-3]。大跨度混合梁橋的地震反應比較復雜，地震響應不僅受到輸入地震動參數影響，還受橋梁結構型式制約。國內外相關學者Yamamura和Hiroshi Tanaka[4]，史志利[5]、龍曉鴻[6]、范立礎[7-8]等學者研究了大跨度斜拉橋在多點激勵下的地震響應和行波效應。基于大跨度斜拉橋非一致性激勵問題的復雜性，抗震分析過程中必須重點研究慮[9-11]。

1 研究內容

吉林省四平市165 m+45 m+45 m非對稱混合梁斜拉橋[12-15]具有跨度大、混合主梁、主塔高、結構非對稱等特點，研究其抗震性能比較有代表性。本文以該橋為工程背景，在有限元分析理論的基礎上，采用有限元分析軟件建立MIDAS CIVIL三維模型，計算分析行波效應及余震作用對大跨度混合梁斜拉橋受力狀態的影響。

2 主橋設計

2.1 主橋設計標準

（1）橋梁設計荷載：城A級（1.3倍）；

（2）道路等級：城市主干道；

（3）設計車速：50 km/h；

（4）橋梁安全等級：一級；

（5）抗震設計：抗震設防烈度Ⅵ度，地震加速度0.05g。

2.2 結構體系

本橋為跨徑布置165 m+45 m+45 m的獨塔單索面非對稱斜拉橋，橋長255 m。采用轉體施工法。整幅橋梁梁體全寬32.6 m。

主橋采用塔-梁-墩固結體系，主塔高90 m，主墩高21 m。主塔采用混凝土結構。斜拉索采用12對單索面雙排索，主梁分為鋼箱梁、預應力混凝土梁和鋼混結合段三部分，梁高3 m，橫向設置2.0%的雙向坡。橋式總體布置見圖1。

圖1 主橋總體布置圖（單位：m）

3 空間模型

采用MIDAS CIVIL2017有限元軟件建立空間模型見圖2，按照規范及設計標準加載，其中跨過既有鐵路的主跨汽車荷載采用城-A級荷載的同時考慮1.3倍的放大。主梁、橋塔和主墩均采用梁單元進行三維模擬，斜拉索則采用桁架單元模擬，截面特性按實際設計截面參數定義。

圖2MIDASCIVIL有限元模型

4 考慮行波效應的地震響應分析

4.1 計算假定

（1）考慮到結構的不對稱性和各橋墩的不一致剛度，為獲得最不利響應，假定地震波由小里程向大里程方向傳播。計算大跨度混合梁斜拉橋的地震響應，地震波傳播速度分別為150 m/s、450 m/s、1 200 m/s、5 000 m/s，并與一致激勵地震響應做對比分析。

（2）在非一致激勵計算過程中，地震動的響應假定采用Taft波的地震加速度時程曲線模擬。

4.2 行波效應對結構位移的影響

在各種波速下，主塔塔頂和主梁關鍵截面的縱向位移響應最不利值見表1。

表1主塔塔頂和主梁關鍵截面縱向位移響應最值

由表1可知，大跨度非對稱混合梁斜拉橋在順橋向的激勵作用下：

（1）行波效應對橋塔的縱向位移影響較大，地震波的波速大小與橋塔縱向的位移響應成正比，地震波波速逐漸增大并逐步接近一致激勵的響應結果。

（2）行波效應對主梁的縱向位移影響較大，地震波的波速大小與主梁縱向的位移響應成正比，地震波波速度逐漸增大并逐步接近一致激勵的響應結果。主梁的縱向位移與主塔的縱向位移變化規律一致。

4.3 行波效應對結構內力的影響

在各種波速下，混合梁斜拉橋主塔底部和邊墩底部的內力響應結果見表2。

表2 主塔底部和邊墩底部內力響應最值

從表2可知，大跨度非對稱混合梁斜拉橋考慮行波效應情況下：

（1）行波效應對橋塔的內力影響較大，地震波波速大小與橋塔內力響應基本成正比，地震波波速逐漸增大并逐步接近一致激勵的響應結果。

（2）行波效應導致橋梁結構局部區域的地震響應增加，同時也減少了部分結構地震響應。近震源端結構內力隨波速的增加接近于一致激勵情況，而遠震源端結構以低速行波時內力較大。

5 余震的地震響應分析

5.1 分析思路

運用剛度折減來模擬地震響應過后各橋墩的損傷狀態，并計算橋梁結構在余震作用下的響應。通過折減非對稱混合梁斜拉橋樁基、橋塔、邊墩及輔助墩的剛度，假定剛度分別按照10%、20%和30%進行了折減，并通過Taft波模擬余震波，余震波的內力及位移分別與E1、E2地震作用下的計算結果進行對比。

5.2 余震對結構位移的影響

結構剛度折減情況下主塔和主梁關鍵截面位移的最不利值見表3。

表3 剛度折減下主塔和主梁關鍵截面位移最值 m

從表3看出，非對稱混合梁斜拉橋結構在剛度折減后，主塔和主梁關鍵截面的縱向和橫向位移響應結果如下：

（1）剛度折減對橋塔的位移影響較大，剛度折減大小與橋塔位移基本成正比。隨著剛度降低逐步加大，結構縱向位移逐步接近E2地震作用下的位移響應。為避免因過度位移而造成橋梁結構損壞，建議采取措施限制橋梁的縱向位移。

（2）鑒于主梁剛度未折減而降低，主梁的位移是由橋塔縱向位移引起的，主梁縱向位移響應基本和主塔的變化一致。

（3）剛度折減法模擬余震，剛度折減30%的結構局部區域的位移甚至超過了E2地震響應，進一步闡述余震對結構的破壞接近主震，不容忽視。

5.3 余震對結構應力的影響

結構剛度折減情況下，墩塔結構的最不利應力值見表4。

從表4可以看出，非對稱混合梁斜拉橋結構在剛度折減而降低后，主塔和各墩應力響應結果如下：

（1）剛度折減對橋塔的應力影響較大，剛度折減大小與橋塔應力基本成正比。隨著剛度降低逐步加大，結構縱向位移逐步接近E2地震作用下的應力響應。橫+豎向的應力最不利值變化要大于縱+豎向，剛度折減而降低對橫向+豎向的荷載輸入影響相對更大。

（2）主塔的剛度折減而降低對其應力影響有限。隨著主塔剛度的減少，橋墩內力重新分布后承受了更多內力，應力也增加。

6 結論

（1）行波效應對橋塔的內力和縱向位移影響較大，地震波波速大小與橋塔內力和縱向位移響應基本成正比，地震波波速逐漸增大并逐步接近一致激勵的響應結果。行波效應導致橋梁結構局部區域的地震響應增加，同時也減少了部分結構地震響應。近震源端結構內力隨波速的增加接近于一致激勵情況，而遠震源端結構以低速行波時內力較大。

表4 剛度折減下墩塔結構的最不利應力值MPa

（2）通過剛度折減的方法來模擬強余震對結構的影響，剛度降低多少與主梁和橋塔應力和位移基本成正比。隨著剛度折減逐步加大，結構應力和縱向位移逐步接近E2地震作用下的地震響應。隨著主塔剛度的減少，橋墩內力重新分布后承受了更多內力，應力也隨之增加。鑒于強余震作用能對橋梁結構造成接近主震程度的破壞，抗震分析研究應尤其重視。