斜拉-懸吊協(xié)作體系橋抗震性能參數(shù)分析

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(浙江工業(yè)大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014)

斜拉-懸吊協(xié)作體系橋是傳統(tǒng)懸索橋和斜拉橋組合形成的一種新型纜索支承橋梁，它綜合了兩種體系的主要優(yōu)點，跨越能力較強，并在國內(nèi)外大跨橋梁的設(shè)計方案中屢次提出[1-2].進入21世紀后，世界橋梁工程將進入跨海連島大橋建設(shè)的新時期.斜拉-懸吊協(xié)作體系橋由于造型新穎美觀，結(jié)構(gòu)受力合理，跨越能力強和經(jīng)濟性好，為21世紀跨海連島大橋的建設(shè)提供了一種理想的解決方案.

斜拉-懸吊協(xié)作體系橋是一種大跨柔性結(jié)構(gòu)，對風和地震等動力作用非常敏感，結(jié)構(gòu)抗震性能是其設(shè)計需要考慮的重要問題.韓立中[3]、劉春城[4]、黃海新[5]及張凱[6]等以一座大跨度自錨式斜拉-懸吊協(xié)作體系橋-大連灣跨海大橋為例，對其抗震問題進行分析研究.文霽[7]利用有限元軟件BNLAS，對一座1 692 m的斜拉-懸索體系設(shè)計方案橋建立計算分析模型，討論了不同主梁剛度、橋塔剛度、主纜矢高和邊主跨比、輔助墩以及結(jié)構(gòu)支撐體系等對其地震響應的影響.孟續(xù)東[8]以虎門二橋為工程背景，提出了1 700 m主跨斜拉-懸索協(xié)作體系橋設(shè)計方案，并進行了設(shè)計方案的靜動力分析.可以看出：前期對自錨式斜拉-懸吊協(xié)作體系橋的抗震研究比較充分，但其跨度有限，只有800 m，相比而言對具有更大跨度的地錨式斜拉-懸吊協(xié)作體系橋的抗震性能研究則比較薄弱.為此，以一座1 400 m主跨的地錨式斜拉-懸吊協(xié)作體系方案橋為背景，采用多振型地震反應譜方法，在水平地震作用下，對主纜矢跨比、吊跨比、邊跨長度、輔助墩設(shè)置、主梁支承方式和主梁結(jié)構(gòu)形式等結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)對地震反應的影響進行分析，并提出結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的合理取值.

1 斜拉-懸吊協(xié)作體系方案橋簡介

圖1為一座主跨為1 400 m的斜拉-懸吊協(xié)作體系方案橋[9]，該橋布置形式為三跨(319+1 400+319) m，中跨主梁橋面設(shè)置半徑為25 000 m豎曲線，兩側(cè)邊跨設(shè)2%的縱坡.主跨懸吊部分長612 m，兩側(cè)斜拉部分總長788 m.主纜間距34 m，矢跨比為1/10，懸吊部分吊桿間距18 m.斜拉索間距在邊跨為14 m，在中跨為18 m.主梁采用扁平狀流線型鋼箱梁，寬35.9 m，高3.0 m.橋塔采用混凝土門式框架結(jié)構(gòu)，塔高約289 m，塔柱間設(shè)三根橫梁.

圖1 斜拉-懸吊協(xié)作體系方案橋總體布置

2 有限元分析模型建立

該橋抗震分析時，離散為如圖2所示的三維有限元模型，共劃分為814個單元和567個結(jié)點.主梁、主塔及橫梁等采用非線性空間梁單元模擬，主梁采用魚骨梁式計算模型；主纜、吊桿和斜拉索采用非線性空間桿單元模擬；斜拉索、吊桿與主梁之間采用剛臂單元聯(lián)系.主梁與橋墩之間保持沿橫向、豎向、繞縱軸、豎軸四個自由度的從屬關(guān)系，以及沿縱向、繞橫軸運動放松；主梁與橋塔交叉處按支承體系考慮，主梁在橋塔位置側(cè)向位移受塔柱約束.

圖2 斜拉-懸吊協(xié)作體系方案橋三維有限元模型

3 地震動輸入

橋梁抗震設(shè)防類型為A類，地震基本烈度為7度，水平地震加速度峰值為0.1g，場地類別為Ⅲ類，場地土特征周期為0.45，結(jié)構(gòu)阻尼比為3%，E1地震作用下的水平設(shè)計加速度反應譜如圖3所示[10].

圖3 E1地震作用下水平設(shè)計加速度反應譜

4 斜拉-懸吊協(xié)作體系橋抗震性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)分析

在縱橫向水平地震下，采用多振型地震反應譜分析方法，進行主纜矢跨比、吊跨比、邊跨長度、輔助墩設(shè)置、主梁支承方式和主梁結(jié)構(gòu)形式等結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)對抗震性能的影響分析，并探討各結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的合理取值.分析時，由于該橋自振頻率分布密集，振型間藕合效應明顯，因此各振型的地震反應采用CQC方法進行組合，同時取結(jié)構(gòu)體系的前60階振型參與分析，各方向參與質(zhì)量均達到90%以上.限于篇幅，以下部分僅給出結(jié)構(gòu)地震反應的峰值.

4.1 主纜矢跨比

主纜矢跨比的變化將直接改變橋塔高度和斜拉索傾斜角度，同時導致主纜和斜拉索拉力發(fā)生變化，并最終影響到結(jié)構(gòu)的整體剛度.在原方案橋(矢跨比為1/10)基礎(chǔ)上，增加矢跨比為1/9和1/11兩種比較工況進行水平地震反應分析，主塔和主梁的地震反應峰值分別見表1，2.

表1 主纜矢跨比對主塔地震反應的影響

表2 主纜矢跨比對主梁地震反應的影響

可以看出：矢跨比對主塔和主梁的地震反應有著明顯的影響，尤其是在縱向地震作用下.縱向地震作用下，隨著矢跨比的減小，橋塔的縱向位移、彎矩和軸力隨之減小，而剪力則在矢跨比1/10時最??；同樣，主梁的縱向位移、豎向彎矩、剪力和軸力都隨著矢跨比的減小而減小，而豎向位移在矢跨比1/10時最小.橫向地震作用下，隨著矢跨比的減小，橋塔的橫向位移隨之減小，但其所受的橫向彎矩、剪力和軸力則隨之明顯增加；主梁的橫向位移及其彎矩都隨著矢跨比的減小而減小.總體上看，主纜矢跨比為1/10時，主梁和主塔的地震反應表現(xiàn)較好，是比較理想的參數(shù)取值.

4.2 吊跨比

增大或減小吊跨比可以使斜拉-懸吊協(xié)作體系橋的受力性能更加趨向于懸索橋或斜拉橋.在原方案橋(吊跨比為0.437)基礎(chǔ)上，增加吊跨比為0.3和0.5兩種比較工況進行水平地震反應分析，吊跨比對協(xié)作體系橋抗震性能的影響如表3，4所示.

表3 吊跨比主塔地震反應的影響

表4 吊跨比主梁地震反應的影響

可以看出：吊跨比對主塔和主梁的縱向地震反應有著明顯的影響，但對橫向地震反應影響小.縱向地震作用下，隨著吊跨比的增大，橋塔的縱向位移、彎矩、剪力和軸力都隨之明顯增大；同樣，主梁的縱向位移、豎向彎矩、剪力和軸力也都隨著吊跨比的增大而顯著增大，但主梁跨中點的豎向位移則隨之減小.橫向地震作用下，隨著吊跨比的增大，橋塔的橫向位移略有減小，但其所受的橫向彎矩、剪力和軸力則隨之明顯增加；主梁的橫向位移及其內(nèi)力受吊跨比的變化影響很小.總體而言，隨著吊跨比的增加，結(jié)構(gòu)的受力特點逐漸類似于懸索橋，結(jié)構(gòu)總體剛度下降，結(jié)構(gòu)的地震反應增大，因此從抗震性能方面考慮協(xié)作體系橋采用較小的吊跨比更有利.

4.3 邊跨長度

為了揭示邊跨長度對協(xié)作體系橋抗震性能的影響，在原方案橋基礎(chǔ)上將邊跨長度調(diào)整為394 m(與中跨斜拉部分對稱)，對其進行水平地震作用下結(jié)構(gòu)反應分析，計算結(jié)果與原方案橋(邊跨長度314 m)的比較如表5，6所示.

表5 邊跨長度對主塔地震反應的影響

表6 邊跨長度對主梁地震反應的影響

隨著邊跨長度的增加，水平地震作用下，主塔縱橋向的地震內(nèi)力和位移明顯增大，而橫向的地震內(nèi)力和位移受此影響比較小.同樣，主梁縱橋向地震作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移隨著邊跨長度的增加而顯著增大，但其橫橋向地震作用下的結(jié)構(gòu)效應則有所減小.總的來看，邊跨長度對結(jié)構(gòu)縱向地震反應影響比較顯著，而對橫向地震反應影響較小，而且采用較短的邊跨對結(jié)構(gòu)的抗震性能更加有利.

4.4 輔助墩設(shè)置

為了提高結(jié)構(gòu)體系的豎向剛度，協(xié)作體系橋設(shè)計時通常會在邊跨設(shè)置若干輔助墩.在原方案橋基礎(chǔ)上在兩側(cè)邊跨各設(shè)置一個和兩個輔助墩，進行不同輔助墩設(shè)置情況的水平地震作用分析，輔助墩設(shè)置對協(xié)作體系橋抗震性能的影響見表7，8.

表7 輔助墩對主塔地震反應的影響

表8 輔助墩對主梁地震反應的影響

可以看出：邊跨設(shè)置輔助墩后，隨著結(jié)構(gòu)的豎向剛度的增強，縱向地震作用下橋塔和主梁的地震反應顯著減小，而且隨著輔助墩數(shù)目設(shè)置的增加，主梁的地震效應進一步減小，但主塔的縱橋向地震內(nèi)力則在設(shè)置單個輔助墩時更小.在橫向地震作用下，橋塔塔頂和主跨跨中的橫向位移隨著輔助墩設(shè)置數(shù)量的增加而明顯減小，但結(jié)構(gòu)的地震內(nèi)力卻隨之有所增加.總的來說，輔助墩的設(shè)置對結(jié)構(gòu)抗震是有利的，但設(shè)置數(shù)量還是需要結(jié)合靜力性能、施工和經(jīng)濟性等條件來確定.

4.5 主梁支承方式

方案橋主梁的支承采用半漂浮體系，即主梁在塔柱處設(shè)置豎向支承，為了揭示主梁支承方式對協(xié)作體系橋抗震性能的影響，將原方案橋主梁支承改變?yōu)槠◇w系進行結(jié)構(gòu)地震反應分析，主梁支承方式對主塔和主梁地震反應的影響分別如表9，10所示.

表9 主梁支承方式對主塔地震反應的影響

表10 主梁支承方式對主梁地震反應的影響

可以看出：橫向地震作用下，漂浮和半漂浮體系的主塔和主梁的地震反應相差很小，協(xié)作體系橋橫橋向的地震反應基本不受主梁支承方式的影響.相反，主梁支承方式對協(xié)作體系橋縱向地震作用影響非常明顯.主梁采用漂浮體系后，主塔的主梁的縱橋向地震反應顯著增大，必須采取合適的縱橋向約束方式以減小過大的縱橋向地震反應.因此，協(xié)作體系橋不適宜采用縱橋向無約束的漂浮體系，必須在塔梁間設(shè)置合適的縱向限位裝置.

4.6 主梁結(jié)構(gòu)形式

為了改善結(jié)構(gòu)受力性能并提高經(jīng)濟性，斜拉-懸吊協(xié)作體系橋設(shè)計時可以對斜拉和懸吊部分主梁分別采用不同材料，如斜拉部分采用混凝土梁或結(jié)合梁，懸吊部分采用輕質(zhì)鋼箱梁.為了揭示橋面主梁構(gòu)成對協(xié)作體系橋抗震性能的影響，將原方案橋橋面主梁的單一鋼箱梁形式改變?yōu)榛旌狭海葱崩糠植捎妙A應力混凝土箱梁，懸吊部分則采用鋼箱梁，兩部分的斷面外形一致，并對其進行水平地震反應，兩者的地震反應比較分別如表11，12所示.

表11 主梁結(jié)構(gòu)形式對主塔地震反應的影響

表12 主梁結(jié)構(gòu)形式對主梁地震反應的影響

通過對比可以看出：橋面主梁采用混合梁后，水平地震作用下的結(jié)構(gòu)位移顯著減小，地震內(nèi)力增大，說明結(jié)構(gòu)的整體剛度得到明顯提高，結(jié)構(gòu)的抗震性能明顯提高.因此，從抗震性能角度而言，協(xié)作體系橋宜采用鋼混組合的橋面主梁.

5 結(jié) 論

筆者以一座1 400 m主跨的斜拉-懸吊協(xié)作體系方案橋為工程背景，采用多振型地震反應譜方法對其進行水平地震作用下的地震反應進行系統(tǒng)的參數(shù)影響分析，并提出了各結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的合理取值.結(jié)果表明：斜拉-懸吊組合體系橋當主纜矢跨比取為1/10、吊跨比在0.4～0.5之間、采用短邊跨并設(shè)置輔助墩、半漂浮體系、橋面主梁采用混合梁時，可以獲得比較好的抗震性能.

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