分離式軌道型獨塔懸索橋近遠場地震響應分析

劉永紅

(建研地基基礎工程有限責任公司，四川 成都 610028)

近年來，我國交通基建事業得到了迅猛發展。同時我國西藏地區分布著較多的地震帶。在該地區的橋梁常常要跨越斷層或靠近斷層。跨斷層[1]及近斷層[2]地震能量豐富，脈沖型強。而受地形影響常常需要建立獨塔自錨式懸索橋[3-4]，自錨式懸索橋在近斷層脈沖等地震作用下其受力性能復雜，因此有必要對其進行專門的抗震分析。

懸索橋具有柔度大、剛度小等特征，在地震作用下可消耗地震能量。而自錨式懸索橋一般有獨塔、雙塔及多塔等幾種形式。由于獨塔自錨式非對稱懸索橋剛度中心與質量中心不重合，導致結構集合非線性程度[5-6]較高，進而影響結構的自振特性及地震作用下的動力響應問題。跨斷層和近斷層附近的自錨式懸索橋往往要承受大于遠場地震[7]數倍的地震能量[8]，因此十分有必要探究自錨式獨塔懸索橋在不同地震類型下的動力響應問題。

本文基于上述研究，以某自錨分離式軌道型獨塔懸索橋為研究對象，基于sap2000建立該懸索橋三維空間有限元模型，探究近場、遠場、脈沖和非脈沖作用下的動力響應，為同類橋梁研究做參考。

1 工程概述

1.1 工程背景

本文以某軌道型自錨分離式獨塔懸索橋為研究對象，其跨徑組成為：(80+190+260+80) m。主梁采用軌道型空心薄壁鋼箱梁截面，單幅主梁寬17 m，高3.2 m，壁厚0.02 m。一字型橋塔，橋塔采用變截面混凝土箱形截面，C50混凝土。過渡墩及輔助墩采用實心矩形混凝土截面，采用C40混凝土。由于橋塔兩側不等跨，因此在2號過渡墩側設置14對吊桿，在4號過渡墩側設置18對吊桿。

在2號墩頂附近設置2 200 kN的壓重，在4號墩頂附近設置1 200 kN的壓重，以此減少活荷載作用下的撓曲變形。在塔梁處采用通過斜撐橫梁上設置豎向支承支座，縱橋向和橫橋向設置彈性約束，過渡墩及輔助墩設置縱向活動支座，塔底固結。其橋型布置見圖1。

1.2 有限元模型

采用sap2000建立其三維有限元模型，采用雙主梁模型。用梁單元模擬主梁和橋塔，用桁架單元模擬主纜和吊桿。共采用330個結點，323個單元。由于自錨式懸索橋內力為自平衡模式，因此需要計算成橋平衡狀態下各構件內力，采用無應力狀態法計算成橋態橋塔、加勁梁、主纜及吊桿內力，其有限元模型如圖2所示。

1.3 自振特性分析

自振特性是計算橋梁結構動力響應的分析基礎，本文采用子空間迭代法計算該懸索橋自振特性，特征值控制參數：迭代次數：20次，收斂誤差：1E-010，采用集中質量矩陣。表1給出了前10階自振頻率及振型。

表1 自振特性

2 地震動選取

為研究自錨式懸索橋在近場、遠場、脈沖和非脈沖地震作用下的動力響應，根據該橋場地條件從PEER中選擇了4條地震作為本文有限元模型的激勵源，其特征參數見表2，時程曲線如圖3，圖4所示。

表2 地震參數

3 動力響應分析

3.1 位移響應

在四種地震作用下的塔頂位移和主梁位移如圖5，表3所示。

表3 位移響應 cm

分析圖5和表3可知：

1)在遠場地震作用下塔頂縱向、主梁縱向和豎向位移最小，在脈沖型地震作用下位移響應最大。

2)對主梁豎向位移而言，脈沖型地震產生的位移響應約是非脈沖的4.05倍，這與地震PGA比值相對應。

3.2 纜索內力響應

在四種地震作用下的主纜和吊桿軸力分別如圖6，圖7所示，其中吊桿編號沿主梁從左往右依次增大。分析可得以下結論：1)據圖6可知，四種地震作用下吊桿軸力變化規律保持一致。脈沖作用下各吊桿軸力大于其他三種地震下的軸力，遠場地震下各吊桿軸力最小。2)邊跨的中間吊桿軸力有最大值，最大值為1 281.924 kN,而靠近橋塔處的吊桿軸力有較小值，僅約為350 kN。主要原因是橋塔附近的主纜軸力的豎向分力大都由橋塔承擔，而由吊桿承擔的豎向分力較小。而邊跨中間吊桿會承受因主纜自重增加的軸力。3)據圖7分析可知，四種地震作用下的主纜軸力變化規律保持一致，與吊桿軸力規律類似，在脈沖地震作用下主纜軸力最大。與吊桿軸力不同之處是，主纜軸力在靠近橋塔處達到最大值，在橋塔兩端處有較小值。

3.3 塔墩底內力

圖8，圖9給出了四種地震作用下的塔墩底彎矩、剪力,分析可知：1)5個塔墩底下的彎矩和剪力變化規律基本一致，但3號塔墩底的彎矩及剪力最大。2)在脈沖地震作用下的彎矩和剪力均要大于其他三種地震作用下的內力值。3)3號墩在脈沖地震作用下彎矩和剪力分別為6.4E+05 kN·m和1.87E+04 kN。

3.4 主梁內力

圖10，圖11分別給出了主梁彎矩和剪力在四種地震作用下的變化規律，分析可知：1)四類地震作用下，彎矩圖走勢一致。在4號輔助墩頂處脈沖地震作用下主梁存在較大負彎矩，約為3.90E+05 kN·m。2)四類地震作用下剪力在輔助墩及橋塔處存在突變效應，在脈沖地震作用下的2號輔助墩頂處剪力值最大，其值為3.28E+04 kN。

4 結語

本文探究了近場、遠場、脈沖和非脈沖四種地震作用下自錨式軌道型分離式獨塔懸索橋的地震響應，主要結論如下：

1)四種地震作用下的位移響應從大到小依次為：脈沖>非脈沖>近場>遠場，其中主梁在脈沖地震作用下產生的豎向位移約是非脈沖的4.05倍。2)與位移響應類似，主纜和吊桿軸力均在脈沖地震作用下達到最大值，邊跨中間吊桿軸力有最大值1 281.924 kN，而靠近橋塔處的吊桿軸力有較小值350 kN。主纜軸力在靠近橋塔處達到最大值，在橋塔兩端處有較小值。3)5個塔墩底下的彎矩和剪力變化規律基本一致，但3號塔墩底的彎矩及剪力最大，分別為6.4E+05 kN·m，1.87E+04 kN。4)在4號輔助墩頂處脈沖地震作用下主梁存在最大負彎矩，約為3.90E+05 kN·m，剪力在輔助墩及橋塔處存在突變效應，在2號輔助墩頂處剪力值最大，其值為3.28E+04 kN。