自錨式單索面懸索橋地震響應(yīng)分析

楊光

（大連市市政設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，遼寧大連110006）

自錨式單索面懸索橋地震響應(yīng)分析

楊光

（大連市市政設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，遼寧大連110006）

對自錨式懸索橋的動力特性進(jìn)行了分析，選取3組實(shí)際記錄的地震波，對自錨式懸索橋進(jìn)行地震作用下的動力時程分析，有關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供相關(guān)專業(yè)人員參考。

自錨式懸索橋；動力特性；時程分析

0　前言

近年來，我國的橋梁建筑的發(fā)展日新月異，懸索橋尤其是自錨式懸索橋也得到迅速發(fā)展。貴城大橋主橋采用雙塔單索面自錨式懸索橋，主跨180 m，主纜單索面，橋塔外觀成A形。

我國是一個地震多發(fā)國家之一，強(qiáng)地震的發(fā)生對橋梁的動力作用會引發(fā)結(jié)構(gòu)安全問題。傳統(tǒng)懸索橋傳力途經(jīng)簡單明確，結(jié)構(gòu)布置的變化較少，同時，懸索橋?qū)儆诖罂缛嵝越Y(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的基本周期比較長，在地震作用下的受力一般不會很大，常規(guī)懸索橋橋塔設(shè)置較為粗壯，塔柱在地震作用下基本在彈性狀態(tài)范圍內(nèi)。自錨式懸索橋把主纜直接錨固在邊跨或加勁梁端，主纜的水平力通過加勁梁的軸力互相平衡。結(jié)構(gòu)體系較傳統(tǒng)懸索橋復(fù)雜，同時貴城大橋作用城市景觀橋，塔身外觀成A形，主塔為混凝土開口薄壁殼體結(jié)構(gòu)。塔柱無論是構(gòu)造，還是受力狀態(tài)均比常規(guī)懸索橋復(fù)雜，因此有必要對貴城大橋進(jìn)行地震作用下的響應(yīng)分析。

1　地震反應(yīng)動力分析方法［1-4］

地震反應(yīng)動力分析法采用計算機(jī)分析結(jié)構(gòu)地震時的動態(tài)狀況，該法首先選定合適的地震動作為結(jié)構(gòu)的激勵，在頻域或時域內(nèi)進(jìn)行線性或非線性反應(yīng)分析，該法又有兩種途徑。

1.1地震反應(yīng)譜法

地震反應(yīng)譜法系將結(jié)構(gòu)置換成單自由度或多自由度的線性振動體系，根據(jù)用其它方法求得的反應(yīng)譜，由體系的固有周期和阻尼比求得最大反應(yīng)值的方法。橋梁結(jié)構(gòu)如果柔度增加時，高階振型亦參加影響，此時應(yīng)按多自由度體系分析，反應(yīng)譜分析時仍應(yīng)用單自由度體系的振型疊加進(jìn)行。求得各振型的最大反應(yīng)值Umax，整個體系的最大反應(yīng)值Umax利用二次平均法（CQC）或平方根法（SRSS）進(jìn)行計算。

反應(yīng)譜概念簡單，計算方便。但也存在一些缺陷，反應(yīng)譜理論無法反映許多實(shí)際結(jié)構(gòu)的復(fù)雜因素，不能描述出地震作用下橋梁的反應(yīng)過程，而只能給出反應(yīng)的極值。

1.2時程反應(yīng)分析法

動態(tài)時程反應(yīng)分析法是隨著強(qiáng)震記錄的增多和計算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用而發(fā)展起來的，是公認(rèn)的精細(xì)分析方法。動態(tài)時程反應(yīng)分析法首先利用有限元法有限元法建立橋梁結(jié)構(gòu)計算模型并建立相應(yīng)的振動方程：

選取合適的地震動輸入（地震動加速度時程），采用數(shù)值積分法對振動方程進(jìn)行求解，計算出每一瞬時的結(jié)構(gòu)位移、速度和加速度響應(yīng)，從而可以分析出結(jié)構(gòu)在地震作用下彈性或非彈性階段的內(nèi)力反應(yīng)、構(gòu)件變形形態(tài)。

2　貴城大橋地震作用響應(yīng)分析

貴城大橋主橋采用單索面自錨式懸索橋，主跨徑為180 m，全橋長431 m；橋梁總寬度為38 m，車道布置為雙向6車道，每側(cè)各設(shè)置6 m人行道。中跨主纜跨度180 m，垂度40 m，垂跨比為1/4.5。全橋共29根吊索，吊索間距6 m。橋型布置見圖1。

（1）貴城大橋的動力特性

貴城大橋采用縱向漂浮體系，基本周期為7.49 s。三個方向主要陣型如下：一階模態(tài)主要表現(xiàn)為主梁縱飄加主塔縱向彎曲變形；二階模態(tài)為豎向彎曲變形；十階模態(tài)為橫向彎曲變形，見圖2～圖4。

圖1　貴城大橋橋型布置圖（單位：m）

圖2　貴城大橋第一階自振模態(tài)

圖4　貴城大橋第十階自振模態(tài)

（2）地震輸入

目前，在抗震分析中有關(guān)地震動加速度時程的選擇主要有3種方法：直接利用強(qiáng)震記錄、采用人工地震加速度和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化地震加速度時程。

本文選取3條實(shí)際強(qiáng)震記錄，第一條為1940， El Centro Site ， 270 Deg，第二條為1971， San Fernando ，159 Deg，第三條為1979， James RD. El Centro ，310 Deg。三條加速度波的特征周期分別為0.552 5 s、0.548 5 s和0.535 s。本項(xiàng)目場地特征周期為0.55 s，特征周期相差均在5%以內(nèi)。三條曲線加速度峰值調(diào)整系數(shù)分別為0.62、0.817和0.402。經(jīng)過調(diào)整后本次分析的地震加速度時程曲線見圖5～圖7。

圖5　El Centro Site波時程加速度

圖6　San Fernando波時程加速度

圖7　James RD. El Centro波時程加速度

（3）地震作用響應(yīng)

貴城大橋?yàn)樽藻^式懸索橋，采用縱向飄浮體系，主要靠橋塔縱向變形耗散能量，因此橋塔承受很大順橋向地震作用。橋塔塔頂縱向位移及橋塔塔底的縱向彎矩見圖8～圖10。

圖8　塔頂縱向位移時程曲線

圖9　塔底縱向彎矩時程曲線

圖10　塔底橫向彎矩時程曲線

貴城大橋在3條地震波的作用下，橋塔內(nèi)力見表1。計算塔底截面彎矩-曲率曲線，其中材料強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值，彎矩曲率-曲線見圖11、圖12。

表1　橋塔地震作用下內(nèi)力匯總表

圖11　塔底截面縱向彎矩-曲率曲線

計算得橋塔底部縱向彎矩的等效屈服彎矩為287 090 kN·m，橫向彎矩的等效屈服彎矩為438 885 kN·m，橋塔在強(qiáng)震作用下仍然處于彈性階段。

3　研究展望

本文分析了貴城大橋作為自錨式懸索橋的動力特性，采用時程分析法計算了該橋在3條地震波作用下的地震反應(yīng)。該橋有別于常規(guī)懸索橋，采用縱飄體系，對縱向地震作用有良好的抗震反應(yīng)。經(jīng)驗(yàn)算，貴城大橋在地震作用下能夠保證結(jié)構(gòu)安全，并為同類橋型抗震設(shè)計提供了經(jīng)驗(yàn)，但還存在以下幾個問題：

（1）貴城大橋?yàn)樽藻^式懸索橋，采用縱飄體系，能有效釋放地震力，但其主梁縱向位移較大，可在橋塔或橋墩支承處設(shè)置阻尼器或限位器等以優(yōu)化縱向位移過大的問題。

（2）本次動力時程分析沒有建立樁基礎(chǔ)，在進(jìn)一步的深化設(shè)計中應(yīng)考慮樁-土效應(yīng)。

（3）本次地震動力時程分析地震作用方式采用一致激勵，在精細(xì)設(shè)計中應(yīng)考慮行波效應(yīng)及多點(diǎn)激勵。

［1］ 范立礎(chǔ)，胡世德，葉愛君.大跨度橋梁抗震設(shè)計［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［2］ JTG/TB 02-01-2008，公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則［S］.

［3］CJJ 166-2011，城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］ 陳仁福.大跨懸索橋理論［M］.四川成都：西南交通大學(xué)出版社，1994.

U448.25

A

1009-7716（2015）05-0068-03

2015-02-20

楊光（1981-），男，山東德州人，工程師，從事橋梁設(shè)計工作。