潤揚長江大橋框架式墩塔地震模擬形態(tài)分析

李玉濤，郭青偉

（1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，河南 南陽 473009；2.南陽師范學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，河南 南陽 473061）

0 引言

目前，橋梁抗震向著基于位移、性能的方向發(fā)展。 各國本國根據(jù)國情，制訂了不同的設(shè)防水準(zhǔn)和設(shè)計方法。 例如，我國在城市高架橋抗震設(shè)計中就提出了基于位移的3 級抗震設(shè)防原則[1]。 其中規(guī)定，當(dāng)遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的預(yù)估罕遇地震影響時，結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p傷，但不致倒塌，經(jīng)加固后可恢復(fù)交通[2]。 由此可知，若要保證特大地震下結(jié)構(gòu)的安全性，必須研究地震作用下結(jié)構(gòu)的破壞模式。 借助大型有限元分析程序ADINA，以潤揚長江公路大橋南汊大跨度懸索橋(簡稱為潤揚懸索橋)設(shè)計方案為背景，對地震作用下大跨度懸索橋橋塔橫向位移模式及其特征展開探討。

1 建立大橋計算

潤揚長江公路大橋是連通鎮(zhèn)江至揚州的跨越長江的特大型橋梁工程，其中南汊為大跨度懸索橋（簡稱為潤揚懸索橋），北汊為大跨度斜拉橋，南北汊之間的引橋為連續(xù)梁橋。

潤揚懸索橋采用簡支單跨體系，主跨1 490 m，主梁兩端采用滑動支座支承在主塔的下橫梁上。 主梁采用封閉式流線型扁平鋼箱梁，寬33.9 m，中心線處梁高3 m。 兩根主纜橫向間距為33.9 m，由平行鍍鋅高強鋼絲索股組成，每根主纜面積為0.4735 m2，連接主纜和主梁的吊桿縱向間距為16 m。

塔身采用門式框架混凝土結(jié)構(gòu)，兩根塔柱距塔頂處為34.3m、距塔根處為41.34m，呈直線變化。 南塔高207.23 m，北塔高209.93 m（不含鞍座高度）。每座塔設(shè)有上、中、下3 道橫梁。

在潤揚橋動力分析模型中，主塔以可以考慮梁柱效應(yīng)的三維彈塑性梁單元模擬，其本構(gòu)模型以彎矩-曲率關(guān)系曲線表達。 主纜、吊桿采用可以考慮幾何大位移的索單元模擬，并考慮恒載作用下的重力剛度。 加勁梁采用脊梁模式，以彈性三維梁單元模擬。 主梁與主塔支座的連接以主從關(guān)系處理，即主梁橫橋向、豎向及繞橋軸方向的轉(zhuǎn)動自由度與主塔橫梁構(gòu)成主從關(guān)系，另外3 個自由度自由。 主纜與主塔頂構(gòu)成主從關(guān)系，塔底、錨碇與地面固結(jié)。 數(shù)值模擬過程采用直接積分法進行[3]。 潤揚懸索橋的全橋動力計算模型如圖1 所示。

圖1 潤揚懸索橋全橋動力計算模型Fig.1 Whole bridge dynamic calculation model of Runyang suspension bridge

2 地震動力輸入大橋模型

地震動力具有強烈的隨機性， 它發(fā)生的時間、空間、強度、頻譜成分、波形等都是不確定的。 時程分析是確定性分析過程，分析結(jié)果對所選取的地震波時程的依賴性較大，不同的地震時程得到響應(yīng)的結(jié)果可能相差幾倍。 如果地震動輸入不合理，其結(jié)論或結(jié)果就失去了意義。 因此，為了能夠正確反應(yīng)大跨度懸索橋具有普遍意義的破壞特征，直接選取了大量的實際強震記錄作為輸入的地震激勵。

表1 地震波選取記錄表Table 1 Seismic wave selection record

選取4 類場地上的地震波總共31 條（如表1 所示），其中I、II 類場地各6 條，III 類場地9 條，IV 類場地10 條。地震等級按0.2g、0.8g 增加地震動幅值，沿著橋梁的橫向輸入地震波。

3 大橋墩塔位移模型分析

大跨度懸索橋橋塔，縱向為塔頂受到彈性約束的獨柱，橫向為框架結(jié)構(gòu)。 本文借助大型有限元分析程序ADINA，建立潤揚懸索橋全橋模型，采用四類場地下共計31 條地震波沿橋梁橫向輸入，地震等級采用0.2g、0.8g 兩個幅值，進行地震作用下大跨度懸索橋橫向性能分析。 在此基礎(chǔ)上，對地震激勵下框架式墩塔的位移特征進行研究。

在地震波橫向作用下，潤揚橋南、北橋塔響應(yīng)基本類似，因此，以北橋塔為對象，考察橋塔的位移形態(tài)特征模式及其特點。

對懸索橋進行動力時程分析，在橫向輸入模式下，通過對懸索橋框架式橋塔的橫向位移包絡(luò)圖的對比可知，懸索橋橋塔的振動形態(tài)都遵循一定的規(guī)律，即橋塔的橫向最大位移發(fā)生在塔頂。 這里以潤揚懸索橋在地震波F4-1 和F8-2 激勵下 （振幅在0.2 g，此時橋塔響應(yīng)基本都在彈性范圍內(nèi)）的橋塔響應(yīng)來進行說明。

由于框架墩塔左右完全對稱，左塔柱與右塔柱的地震反應(yīng)基本相同，因此只列出左塔柱的響應(yīng)。圖2 為左塔柱在地震波F4-1 激勵下橫向響應(yīng)包絡(luò)圖。 圖3 為左塔柱地震波F4-1 激勵下橫向位移最大時刻橋塔響應(yīng)圖。 圖4 為左塔柱地震波F8-2 激勵下橫向響應(yīng)包絡(luò)圖。 圖5 為左塔柱地震波F8-2激勵下橫向位移最大時刻橋塔響應(yīng)圖。

圖2 左塔柱在地震波F4-1 激勵下橫向響應(yīng)包絡(luò)圖（0.2g）Fig.2 Cross response envelopes of left tower pile under seismic wave F4-1 (0.2g)

圖3 左塔柱在地震波F4-1 激勵下橫向位移最大時刻橋塔響應(yīng)圖（0.2g）Fig.3 Tower bridge response of the max cross displace ment of left tower pile under seismic wave F4-1(0.2g)

圖4 左塔柱在地震波F8-2 激勵下橫向響應(yīng)包絡(luò)圖（0.2g）Fig.4 Cross response envelopes of left tower pile under seismic wave F8-2 (0.2g)

圖2 ～圖5 分別給出兩條地震波激勵下的橋塔左塔柱響應(yīng)圖，由圖可知：

圖5 左塔柱在地震波F8-2 激勵下橫向位移最大時刻橋塔響應(yīng)圖（0.2g）Fig.5 Tower bridge response of the max cross displa cement of left tower pile under seismic wave F8-2(0.2g)

由圖2(a)、圖4(a)位移包絡(luò)圖可見，橋塔的橫向最大位移發(fā)生在塔頂；由圖2(b)、圖4(b)彎矩包絡(luò)圖可見，其最大彎矩發(fā)生在塔柱底，橋塔梁柱連接處產(chǎn)生彎矩極值；由圖3(a)、圖5(a)塔柱橫向位移最大時刻對應(yīng)的橋塔變形圖可見，橋塔的橫向位移形態(tài)基本與包絡(luò)圖的形態(tài)保持一致；由圖3(b)、圖5(b)塔柱橫向位移最大時刻對應(yīng)的橋塔彎矩圖可見，最大正彎矩發(fā)生在塔底，橋塔梁柱連接處產(chǎn)生最大負(fù)彎矩，彎矩分布基本與彎矩包絡(luò)圖保持一致。

由以上圖形特征可知，最大位移發(fā)生時刻的位移圖和彎矩圖與橋塔的位移包絡(luò)圖和彎矩包絡(luò)圖基本保持一致，這表明以塔頂?shù)奈灰七_到容許值為橋塔破壞形態(tài)；橋塔的橫向最大位移發(fā)生在塔頂，且最大正彎矩發(fā)生在塔底，橋塔梁柱連接處產(chǎn)生彎矩極值，這表明橋塔塔底和塔身梁柱連接處為潛在的塑性鉸位置區(qū)域。

4 位移模式代表性說明

為了展示這種位移形態(tài)的普遍性，下面分別以框架式墩塔在4 類場地上不同地震波激勵下的橋塔的橫向位移包絡(luò)圖。

圖6、 圖7 分別列出了潤揚懸索橋南塔框架式橋塔在四類場地下的不同地震等級的地震波橫向輸入下橋塔的橫向振動形態(tài)。

僅列出了潤揚懸索橋橫向框架式墩塔在4 類場地上的一條地震波的橋塔的位移包絡(luò)圖，其余地震波下的橋塔的橫向位移包絡(luò)圖與上述所列圖形具有類似的形態(tài)。

圖6 橋塔塔柱橫向位移包絡(luò)圖（0.2g）Fig.6 Tower bridge tower pile cross displacement envelopes (0.2g)

圖7 橋塔塔柱橫向位移包絡(luò)圖（0.8g）Fig.7 Tower bridge tower pile cross displacement envelopes (0.8g)

5 結(jié)語

通過對潤揚懸索橋的全橋模型進行了非線性地震反應(yīng)分析，分析了地震作用下大跨度懸索橋橫向性能和橋塔位移形態(tài)，得出懸索橋框架式橋塔的振動形態(tài)都遵循一定的規(guī)律，即橋塔的橫向最大位移發(fā)生在塔頂，橋塔的最大彎矩發(fā)生在橋塔的塔底，橋塔梁柱連接處產(chǎn)生彎矩極值，因此橋塔的塔底和橋塔梁柱連接處將是橋塔的塑性鉸潛在發(fā)展區(qū)。而且，上述橋塔位移形態(tài)的特性和損傷形態(tài)與懸索橋的結(jié)構(gòu)類型沒有關(guān)系，與地震等級也沒有關(guān)系。

[1] 范立礎(chǔ)，李建中，王君杰.高架橋梁抗震設(shè)計[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2] JTG/T B02-01—2008，公路橋梁抗震設(shè)計細則[S].北京：人民交通出版社，2008.

[3] 聶利英，張雷，李碩嬌.地震作用下大跨度懸索橋縱向破壞模式研究[J].土木工程學(xué)報，2011,44(4)：91-97.