天門特大橋抗震性能研究

摘要 文章通過建立天門特大橋結構的三維空間動力有限元分析模型，驗算此結構的抗震性能，分析結構的主要動力性能特點。校核了兩個設防水準的地震作用下結構的抗震性能，識別結構的易損部位和構件的破壞機理，分別對主橋橋塔的抗震性能及樁基的抗震性能進行驗算，由計算結果可知兩者均滿足抗震性能的要求，在此基礎上對大橋結構的抗震安全性作出評價，提出抗震研究的結論和建議，針對結構特點提出了減隔震的優化措施，并對設置的抗震優化措施方案進行結構動力分析，保證結構在地震作用下受到的傷害盡可能降到最小。

關鍵詞 橋梁工程；抗震性能驗算；減隔震措施優化；有限元分析

中圖分類號 U442.55 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）15-0192-03

0 引言

我國是一個地震多發的國家，自唐山大地震發生以來，抗震防災工作正日益受到重視。盡管到目前為止，橋梁結構受到地震作用而破壞的例子并不多見，但是基于其在經濟、交通方面的重要作用，非常有必要對其進行抗震設防[1]。目前國內外的抗震規范僅僅適用于中小跨度橋梁，對于超過適用范圍的大跨橋梁，其適用性便大打折扣[2-3]。

1 工程概況

天門特大橋主橋為820 m 單跨簡支鋼桁梁懸索橋。主纜邊跨分別為254 m、247 m；主纜中跨650 m，垂跨比約為1/9.5；主塔塔高分別為195.0 m、135.0 m；主梁采用鋼桁加勁梁；兩岸均采用重力式錨碇。兩岸引橋采用先簡支后結構連續40 m T 梁。兩岸主塔采用鋼筋混凝土塔柱結構，為外傾門形框架。安順岸、盤州岸塔柱高分別為195.0 m、135.0 m。安順岸塔柱頂設一道上橫梁，一道中橫梁，塔底接分離式承臺，承臺間設一道地系梁。盤州岸塔柱頂設一道上橫梁，一道中橫梁，采用左右不等高塔柱、塔底接分離式承臺，主梁塔端豎向支座支撐于中橫梁上。加勁梁采用板桁組合結構的鋼桁加勁梁，由主桁、橫桁、橋面板、下平聯等組成。主桁為帶豎桿的華倫式桁架，桁高6.5 m，標準節間長6.8 m，兩片主桁中心間距為36 m，主桁通過吊索與主纜相連。主桁上、下弦桿采用箱形截面，標準節段豎腹桿、斜腹桿采用“ 工”形截面，端節段則采用箱形斷面。

項目區地處貴州高原西部，場區屬溶蝕地貌單元。場地為峽谷地形，橋梁跨越北盤江，兩岸主塔之間為峽谷兩岸陡崖，坡度均處于75～85° 之間，安順岸引橋段為中～ 陡坡，坡度20～30°；盤州岸引橋段為中～ 陡坡，坡度20～30°。場區地面高程介于736.0～1423.0 m 之間，相對高差約687.0 m。場區位于揚子準地臺— 黔北臺隆— 六盤水斷陷— 普安旋扭構造變形區。場區巖層整體局部扭曲，以橋位中部北盤江為界，安順岸產狀315～337° ∠ 12～26°；盤州岸產狀272～323° ∠ 16～26°。場區下伏基巖為灰巖夾泥質灰巖夾泥巖，地表廣泛分布紅黏土，鉆探揭露橋區紅黏土呈可塑狀，厚度0～9.0 m，場區紅黏土厚度有限，根據勘察，橋區各墩、臺基礎均穿透了紅黏土，進入下伏的基巖之中，但設計及施工應考慮紅黏土的影響。綜合地震安評報告及《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306—2015），查得場區跨越Ⅵ度區與Ⅶ度區，以北盤江為界，安順岸地震動反應頻譜特征周期為0.40 s，地震動峰值加速度值為0.10 g，對應地震基本烈度為Ⅶ度；盤州岸地震動反應頻譜特征周期為0.40 s，地震動峰值加速度值為0.05 g，對應地震基本烈度為Ⅵ度。建議橋區地震基本烈度按Ⅶ度考慮。

2 設計地震動參數

2.1 設計反應譜

大橋為懸索橋結構體系，依據相關規范要求，阻尼比取0.02。根據地震安評報告，研究擬采用的工程場地設計地震動參數如表 1 所示。

2.2 設計時程

研究擬采用的場地水平向設計地震動時程曲線如圖1～2 所示，時間步長0.02 s。

3 計算模型與動力特性分析

3.1 計算模型

主橋結構抗震性能分析采用離散結構有限單元法，借助有限元計算軟件Sap2000 進行。有限元計算模型整體坐標系以順橋向為X 軸，橫橋向為Y 軸，豎向為Z 軸。主梁、橋塔等構件均采用空間梁單元模擬，主纜及吊桿采用空間索單元模擬，基礎按六自由度土彈簧模擬。

3.2 動力特性分析

結構動力特性分析采用Lanczos 算法。分析時考慮結構自重狀態P-Delta 效應。對基本結構模型進行了動力特性分析。根據計算結果，結構第一階振型為主梁側彎，頻率0.101 Hz，周期9.864 s；第二階振型為主梁縱漂，頻率0.105 Hz，周期9.549 s；第三階振型為主梁豎彎，頻率0.155 Hz，周期6.443 s。

4 減隔震優化措施研究

4.1 塔梁阻尼器布置方案

單座橋塔與主梁通過2 個阻尼器相連，均沿縱橋向布置，全橋共設4 個阻尼器。研究根據阻尼器布置方案，在結構有限元基本模型上，采用阻尼連接單元模擬阻尼器裝置，建立具有不同阻尼器參數的多個計算模型，并施加相同的E2 縱向地震荷載作用，通過非線性時程分析，提取獲得橋梁關鍵截面的最不利地震響應。然后圍繞如承臺底內力、梁端位移等關鍵響應指標，對不同阻尼器參數的地震響應改善效果進行對比分析。最后，綜合不同指標的分析結果，并參考工程經驗，選取改善效果較優的阻尼器參數作為建議參數。

4.2 結構響應對比

在研究選取的系列關鍵響應指標下，設不同參數的阻尼器改善效果如圖3～5 所示。

5 結論

該文按照E1 和E2 兩水平地震設防標準，對天門特大橋進行了抗震性能驗算。根據對結構在E1 和E2 兩個水準地震的關鍵截面抗力校核結果可以看出，主橋塔及主塔樁基均滿足抗震性能要求。為了進一步提升結構整體的抗震性能，在該研究的基礎上，針對結構設置的抗震優化措施方案進行結構動力分析，以最大程度地降低地震對此特大橋造成的傷害。

參考文獻

[1] 雷俊卿， 宋力勛. 汶川百花大橋震害分析與抗震性能研究[J]. 北京交通大學學報， 2012（1）： 1-16.