蘇北地區(qū)大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)選型及地震響應(yīng)分析

張海峰

摘 ? 要：橋梁連著你我他，在現(xiàn)代交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中發(fā)揮著至關(guān)重要的樞紐作用，但是其容易受到地震等自然災(zāi)害的破壞，影響交通行駛，甚至?xí)斐扇藛T生命安全以及財產(chǎn)損失，我國斜拉橋數(shù)量較多，本文基于地震導(dǎo)致橋梁病害甚至倒塌問題，分析大跨度斜拉橋橋梁地震響應(yīng)，提出合適的斜拉橋橋梁結(jié)構(gòu)選型，以增強橋梁的抗震性能，保障人們出行以及財產(chǎn)安全。

關(guān)鍵詞：斜拉橋 ?結(jié)構(gòu)選型 ?地震響應(yīng)

中圖分類號：TU311 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）08（a）-0014-02

現(xiàn)代交通越來越重視橋梁在地震作用下的行為狀況，在一般的橋梁震害中，下部結(jié)構(gòu)以及基礎(chǔ)的破壞對于橋梁結(jié)構(gòu)來說是致命性的，并且也會對災(zāi)后橋梁的修復(fù)重建造成極大困難，因此在橋型的選擇以及橋梁的結(jié)構(gòu)布置上應(yīng)慎重考慮。

本文就斜拉橋地震響應(yīng)進行分析，提出合適的斜拉橋橋梁結(jié)構(gòu)形式，以增強橋梁抗震性能，與同業(yè)們一起學(xué)習(xí)探討。

1 ?分析方法

雖然人類記錄地震已有很長的歷史，但是在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候加入地震因素卻只是從20世紀20年代開始。從許多的地震災(zāi)害資料中我們可以發(fā)現(xiàn)，避免或者減少地震災(zāi)害可以通過對結(jié)構(gòu)進行合理的設(shè)計使其獲得較強的抗震能力。我們可以通過研究結(jié)構(gòu)抗震計算的地震力理論和確定抗震設(shè)計的破壞準則來對結(jié)構(gòu)進行抗震能力的設(shè)計。

常規(guī)的小跨徑以及非拉索支持的橋梁，其抗震能力設(shè)計主要考慮橋梁自重荷載以及機動車輛等活載作用，之后再校核地震和風(fēng)荷載等環(huán)境荷載作用，但對于跨度較大的懸索橋或者斜拉橋，環(huán)境和使用這兩種荷載同等重要，在一些地震頻繁發(fā)生的區(qū)域，在初步設(shè)計時就認真地考慮地震荷載，進行專項的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計。依據(jù)地震作用理論，目前廣泛使用的三種確定性地震反應(yīng)分析方法：靜力法、反應(yīng)譜法和動態(tài)時程分析法。

最早開始采用的一種分析方法是靜力法，其假設(shè)結(jié)構(gòu)物與地震動具有一個相同的振動，在做抗震設(shè)計時，把地面運動加速度作用下產(chǎn)生的慣性力當(dāng)作是作用在結(jié)構(gòu)上的靜力，這樣的分析方法簡潔、單一、易于操作，但從系統(tǒng)的動力學(xué)角度來看的話，僅僅把地震加速度當(dāng)作是結(jié)構(gòu)受地震影響破壞的單個因素就有著較大的缺陷，因為靜力法沒有對地震運動的強弱與場地地質(zhì)的優(yōu)劣給出合理的反映，忽視了地震運動與結(jié)構(gòu)動力兩個特性。靜力法只有在當(dāng)結(jié)構(gòu)的運動周期比地震運動周期小的多的多以及其在地震振動時幾乎不產(chǎn)生變形，相當(dāng)于剛體的時候，其分析研究才能成立，不滿足這個條件，就無法使用靜力法。

目前結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時普遍運用的方法是反應(yīng)譜法。反應(yīng)譜法采用“地震荷載”的概念，同時兼顧地面運動特性和結(jié)構(gòu)動力特性，相比較靜力法有很大的進步。反應(yīng)譜法抗震計算有三個基本的步驟：

（1）首先計算出設(shè)計用地震動反應(yīng)值，根據(jù)強震幾率統(tǒng)計分析繪制反應(yīng)譜，建立結(jié)構(gòu)振動方程;（2）然后將振動方程按振型分解，用上部所得反應(yīng)譜求得物理位移最大值;（3）最后采用組合各振型反應(yīng)最大值的方法，得到各項反應(yīng)量的最大值。

反應(yīng)譜理論有以下最基本的假定：結(jié)構(gòu)具有線彈性的地震反應(yīng)，可以疊加振型組合;結(jié)構(gòu)所有支撐處的地震動完全相同;結(jié)構(gòu)最大地震反應(yīng)即為最不利地震反應(yīng);地震動的發(fā)展過程是平穩(wěn)隨機的過程。

反應(yīng)譜法優(yōu)點如下：概念比較簡單、計算也很方便、數(shù)據(jù)量也不大，結(jié)構(gòu)的最大反應(yīng)值通過使用較少的計算量就能求得;地震譜可根據(jù)相關(guān)規(guī)范與地震危險性分析獲得，之后計算工作重難點主要集中在如何分解結(jié)構(gòu)振型方程，再通過恰當(dāng)方法組合各振型反應(yīng)最大值，從而求得結(jié)構(gòu)反應(yīng)的最大值，應(yīng)用反應(yīng)譜法分析可以求得比較滿意的結(jié)果;反應(yīng)譜法通過把動力問題轉(zhuǎn)化為擬靜力問題，專業(yè)技術(shù)人員容易接受，同時也方便操作。

隨著地震記錄資料的增多和計算機技術(shù)的深入運用而發(fā)展起來的一種社會普遍公認的精細度較高的分析方法是動態(tài)時程分析法。目前，絕大多數(shù)國家或地域?qū)ΤＲ姷闹行】鐝綐蛄阂琅f使用反應(yīng)譜分析方法計算，但對重要程度高、復(fù)雜系數(shù)大、跨度跨徑大的橋梁抗震設(shè)計計算都建議使用動態(tài)時程分析法。動態(tài)時程分析法首先輸入地震動（地震動加速度時程），建立地震動方程，使用多節(jié)點多自由度的結(jié)構(gòu)有限元動力計算模型，運用積分法求解方程，計算地震發(fā)展過程中的每一個瞬時結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移、速度及加速度反應(yīng)值，從而把結(jié)構(gòu)在地震破壞下彈性或非彈性階段的內(nèi)力變化分析出來，一步步構(gòu)建從開裂到損壞直至倒塌的全過程。這項計算工程非常龐大繁瑣，需要應(yīng)用專門的計算機應(yīng)用程序來完成。動態(tài)時程分析法較精準地考慮了地基與結(jié)構(gòu)之間的相互作用、地震動加速時程相位差及不同地震動加速時程多分量多點輸入、結(jié)構(gòu)的幾何、材料、邊界條件等各種非線性因素以及分塊阻尼等問題。另外，該方法使得橋梁的抗震設(shè)計計算由單一的強度保證轉(zhuǎn)變?yōu)閺姸扰c變形（延性）的雙重保證，于此同時，專業(yè)技術(shù)工作人員也更加了解了結(jié)構(gòu)受地震動力破壞的機理和如何提高橋梁抗震性能的有效途徑。目前，針對大跨、復(fù)雜的橋梁，其地震動時程設(shè)計計算較多使用時程積分法。

時程積分法求解的一般步驟如下：

（1）將振動時程細分為一系列相等或不相等的微小時間間隔Δt：

（2）假定在Δt的時間間隔以內(nèi)，結(jié)構(gòu)位移、速度及加速度按照一定的規(guī)律變化（中心差分、常加速度、現(xiàn)行加速度、Newmarkβ法或者Willson-θ法等）。即可求解Δt+t時刻結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。Δt+t時刻結(jié)構(gòu)的動力平衡方程可以用以下的增量形式表示：

2 ?斜拉橋選型

2.1 斜拉橋的構(gòu)造形式

斜拉橋有多種形式，從拉索的布置分類來說，有順橋向布置以及橫橋向布置。

橫橋向布置的斜拉橋有三種形式，單索面形式、雙垂直索面形式以及雙斜索面形式。

除了索面的構(gòu)造有所不同之外，索塔的布置也有所不同，當(dāng)索面為單索面時，索塔的布置有獨柱形、倒V形及倒Y形三種形式。

當(dāng)索面為雙索面時，索塔的布置主要有雙柱式、門式、寶石形、倒V形、倒Y形及H形六種形式。

2.2 結(jié)構(gòu)選型方法

對于橋梁的結(jié)構(gòu)選型來說，需要考慮的因素有很多，比如造型、預(yù)算以及航運、空運的暢通等要求。通過以上方法從結(jié)構(gòu)抗震的角度對斜拉橋的結(jié)構(gòu)進行地震響應(yīng)下的結(jié)果分析，選取一個較為安全的結(jié)構(gòu)形式。

3 ?結(jié)語

斜拉橋作為一種新型的橋梁形式出現(xiàn)之后，由于其結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)異以及跨度上的優(yōu)勢，在我國發(fā)展十分迅速，其動力性能的研究一直受到橋梁界的廣泛重視。但是對于斜拉橋的抗震設(shè)計的資料十分匱乏，這主要是因為即便斜拉橋的數(shù)目增長很快，卻沒有任何一座斜拉橋有過強震的經(jīng)驗。因此，許多國家在80年代開始就投入了大量的科研力量在斜拉橋的地震反應(yīng)分析上。經(jīng)過了數(shù)十年的研究，現(xiàn)在人們對于斜拉橋的地震反應(yīng)有了比較深刻的認識，也有了比較成熟的理論。因此，根據(jù)地震響應(yīng)分析結(jié)果，結(jié)合相關(guān)理論，選擇合適的斜拉橋橋梁結(jié)構(gòu)形式，是保障橋梁抗震性能的有效途徑。

參考文獻

[1] 李雪峰.大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)主動控制研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2008.

[2] 張帥.鋼箱—混凝土組合橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析[D].西安建筑科技大學(xué)，2017.

[3] 何友娣，李龍安，阮懷圣.大跨度斜拉橋多點激勵作用下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析[J].中國水運：下半月，2013，13（10）：250-251，268.