某大跨度斜拉橋抗震能力建模與分析

趙子鵬

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，太原030000）

1 引言

目前，隨著我國經濟實力的增強，橋梁作為道路交通網的重要樞紐，是工程建設的重要內容。 橋梁的構型需要根據建設功能、設計目的以及當地的水文地質條件進行選擇。 其中，斜拉橋具有減小梁體內彎矩、降低建筑高度、減輕結構重量、節省建筑材料的優點，成為近年來熱門的大跨度橋梁結構體系。

有學者研究指出，當斜拉橋跨徑超過千米級別時，會面臨主梁軸壓力過大、橋塔高度過高、跨中剛度偏小等問題，其動力特性直接影響了抗震能力。 李培[1]等人基于ANSYS 做了斜拉橋承受動載荷的特性分析；王家嵩[2]采用反應譜法對斜拉橋進行了地震響應分析， 指出斜拉橋結構在不同方向地震波激勵下最大響應特性有所不同；陳振濤[3]指出縱向地震激勵對斜拉橋結構響應影響較為明顯。 本文在總結斜拉橋的概念后，著眼地震對斜拉橋的破壞作用，通過有限元建模、子空間迭代法對某大跨度斜拉橋抗震能力進行了研究和分析， 以期為工程實際應用提供理論上的參考。

2 斜拉橋的概念

斜拉橋是將主梁用許多拉索直接拉在橋塔上的一種橋梁，是由承壓的索塔、受拉的斜拉索和承彎的梁體組合起來的一種結構體系，可看作是拉索代替支墩的多跨彈性支承連續梁。

3 地震對斜拉橋的破壞作用

斜拉橋是柔性結構， 在地震的作用下會表現出復雜的動態特性。 地震對斜拉橋的破壞是巨大的，尤其是對于大跨徑的斜拉橋，不僅會對橋基造成永久性的破壞，還會造成支座移位和滑脫、橋墩破壞、橋臺肋板開裂等事故。 因此，需要對大跨度斜拉橋的抗震能力進行研究和分析。

4 斜拉橋實體工程有限元建模

本文選取某斜拉橋實體工程進行有限元建模。 該橋為雙塔單索半漂浮形式，跨度760m，跨徑組合為（ 180+400+180）m，橋面寬23m；主塔為倒Y 形鋼筋混凝土結構，塔高169m；主梁采用單箱三室鋼箱梁，梁高3.2m。

根據橋梁的總體布局，基于ANSYS 軟件梁單元對該斜拉橋進行仿真建模，利用梁單元模擬主塔和橋墩，利用拉桿單元模擬斜拉索，模型如圖1 所示。

圖1 某斜拉橋實體有限元模型

5 地震參數選取

根據設計要求，該斜拉橋抗震等級為7 級，橋梁分類為A類，場地類別為I 類；地震加速度水平向峰值為A，水平地震系數取0.1；地震加速度豎向峰值取（ 2/3）A；地表的反應譜對應的阻尼比ξ=0.05。

假設地震加速度水平方向反應譜最大值為Smax，且可由式（ 1）表示：

式中，Ci為抗震重要性系數；Cs為場地系數；Cd為阻尼調整系數。

一般計算時取Ci=Cs=Cd=1，A=1.02， 可以計算得到Smax=2.205，于是，地震加速度的反應譜可以表示為式（ 2）所示形式：

式中，S為地震加速度的反應譜；T為結構自振周期；Tg為特征周期。

據此得出地震設計反應譜曲線如圖2 所示。

圖2 地震設計反應譜曲線

6 斜拉橋抗震能力分析

對于復雜的大跨距斜拉橋， 可以采用子空間迭代法來求解其低階主振型。 子空間迭代法是求解n自由度體系前s階振型、頻率的方法，它同時利用多個線性無關的正交規范向量進行類似于乘冪法的迭代， 每迭代一次就得到一個新的子空間，并且在迭代過程中應用Rayleigh-Ritz 原理進行加速。 本文利用ANSYS 軟件并應用該方法分析了斜拉橋左塔塔頂、左岸梁端、跨中、1/4 跨、右岸梁端、右塔塔頂等6 處關鍵部位的位移峰值和左右塔塔根以及中跨跨中的內力值， 所得數據如表1 和表2 所示。

表1 斜拉橋關鍵部位在地震波作用下的位移峰值mm

表2 斜拉橋關鍵部位在地震波作用下的內力值

通過以上數據可以看出，在設定強度的地震波作用下，關鍵位置的位移峰值滿足規范要求， 對左右塔塔根和中跨跨中梁內力值進行分析，發現塔根及塔梁抗剪強度、抗壓及抗彎強度都能夠滿足要求，表明斜拉橋具有一定的抗震特性。

7 結語

從目前的研究現狀和發展趨勢來看， 采用有限元建模并結合反應譜和子空間迭代法來分析斜拉橋的抗震特性， 具有一定的準確性。 在具體的工程實際分析過程中，還需要采用不同的地震波模型進行結構受力驗算， 并與采用時程分析方法得出的結果進行對比，給出更準確的結論。