楊灣河特大斜拉橋主橋部分抗震性能研究

李健，鄧旻，卜旭東

（1.安徽路橋工程集團有限責任公司，安徽 合肥 230001；2.安徽陽望交通建設有限公司，安徽 安慶 246200；3.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

1 引言

隨著我國經濟實力的不斷提高，交通事業不斷發展，人們對交通線路的依賴程度也更加強烈。橋梁作為整個交通路網的關鍵線路，是百姓生命線的關鍵組成部分，一旦發生破壞或倒塌將直接影響整個交通的線路的正常運轉，對災后救援工作造成極大困難。因此應該完善評價橋梁結構抗震能力的方法，重視橋梁結構的抗震水平研究，不斷提高橋梁抗震性能水準，從而保證橋梁結構尤其是大跨徑橋梁結構在地震作用下的安全性和可靠性[1-2]。所以本文選取楊灣河特大跨徑斜拉橋為工程背景，分析橋梁結構的抗震性能，評估其安全性與可靠性[3-4]。

2 橋梁抗震的基本理論

2.1 多振型反應譜分析

對理想化為多自由度系統的復雜橋梁，其在單一水平方向地震動作用下的動力平衡方程可以表示為：

由此可知，第i個質點水平方向上由第j階振型所引起的最大地震力為：

上式中：MPFi即為第i振型參與系數，S表示水平設計加速度反應譜豎標值。

由于各振型的最大反應量不一定同時發生。因此，在利用式（2）計算第i質點水平方向上的最大地震力時，必須考慮不同振型最大反應量的組合問題。當橋梁結構相鄰兩階振型的自振周期Tj和Ti較接近時（Tj＞T）i，應采用 CQC 法來計算振型組合問題。即結構的地震作用效應可通過下式確定：

上式中，Ei和Ej分別表示第i階和第j階振型的最大地震力，rij表示相關系數，可通過下式確定：

其中，ξ表示阻尼比，ρT=Tj/Ti為周期比。

2.2 非線性動力時程分析

橋梁結構在各支撐處均受到地面運動的作用，其運動方程可寫成以下分塊矩陣的形式：

由于結構是非線性的，因此Cs、Ks和R均是時間的函數，為便于分析，式（6）用增量方程的形式給出如下：

由上式采用逐步積分法可求出節點的動力位移及加速度增量，節點的總位移為節點的動力位移與靜力位移之和。每一步單元內力亦是動力位移量引起的內力與擬靜力位移引起的內力之和。

3 抗震性能研究

楊灣河特大橋屬于G347安九二期一級公路工程，位于望江縣境內，橋梁全長1322m，橋跨布置為主橋365m，左右引橋各160m，左右各橋臺3.5m，全橋立面圖如圖1所示，用橋梁抗震分析軟件SAP2000 v14.1.1進行楊灣河特大橋的地震響應分析。采用有限元模型描述橋梁結構的動力特性時，必須將結構離散化，包括橋梁結構本身（上部結構、下部結構）的單元劃分和邊界處理等。

圖1 楊灣河特大橋主橋抗震有限元分析模型

3.1 地震動輸入

現階段多級設防的抗震設計思想已被廣泛接受。其中，兩水準設防、兩階段設計的抗震設計方法較為成熟。在抗震分析中，主橋取地表100年10%(E1地震作用)和100年5%(E2地震作用)超越概率下的加速度反應譜作為水平地震荷載，豎向地震荷載取水平地震荷載的0.5倍，阻尼比為0.03的水平設計加速度反應譜可由式（8）確定：

楊灣河特大橋的場地特征周期為0.45s，地震動基本加速度峰值為0.065g。上式中，Tg表示橋址場地的特征周期；T表示橋梁結構的自振周期；Smax表示水平設計加速度反應譜最大值。

在進行時程分析時，地震動輸入分別采用50年55%超越概率和50年2%超越概率的場地水平加速度時程，采用人工生成時程波的方式在水平向設計反應譜生成7條地震波，其中一條如圖2所示。

圖2 地震的水平向人工加速度時程曲線樣本

3.2 結果分析

圖3 主塔控制截面抗彎驗算折線圖（單位：）

圖4 橋墩控制截面抗彎驗算折線圖（單位：）

在控制截面抗彎驗算中采用X-TRACT計算在實際軸力作用下各個關鍵截面的實際抗彎能力，從而與實際彎矩進行對比，求出能力需求比來判斷截面或樁的能力是否滿足實際要求。

在地震作用下，按前述地震波進行非線性動力時程分析，可以得到橋梁各構件關鍵截面的地震響應，并按照最不利荷載組合進行截面抗彎驗算，其中荷載為恒載與地震荷載的組合。結果見圖3和圖4。

可以看到，主塔和橋墩關鍵界面彎矩沿截面6對稱，主塔最大彎矩為132927km·m，橋墩最大彎矩為8024.35km·m，在地震作用下，各關鍵截面的抗彎能力均大于其在地震下的響應，所以在地震作用下結構未發生破壞，滿足抗震要求。

4 結論

①通過有限元軟件SAP2000建立楊河灣大橋主橋結構的空間抗震有限元分析模型，該模型能夠正確反映橋梁上部結構、下部結構、支座和地基的剛度、質量分布及阻尼特性，并考慮相鄰結構及邊界條件的影響。

②楊灣河特大斜拉橋主橋部分，線彈性反應譜分析和非線性動力時程分析兩種方法的計算結果進行了對比，主塔、過渡墩、輔助墩等各關鍵截面在設計配筋率下的抗彎性能均滿足預期抗震性能目標。