某大跨度斜拉橋抗震能力建模與分析

趙子鵬

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，太原030000）

1 引言

目前，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)，橋梁作為道路交通網(wǎng)的重要樞紐，是工程建設(shè)的重要內(nèi)容。 橋梁的構(gòu)型需要根據(jù)建設(shè)功能、設(shè)計(jì)目的以及當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件進(jìn)行選擇。 其中，斜拉橋具有減小梁體內(nèi)彎矩、降低建筑高度、減輕結(jié)構(gòu)重量、節(jié)省建筑材料的優(yōu)點(diǎn)，成為近年來(lái)熱門的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)體系。

有學(xué)者研究指出，當(dāng)斜拉橋跨徑超過(guò)千米級(jí)別時(shí)，會(huì)面臨主梁軸壓力過(guò)大、橋塔高度過(guò)高、跨中剛度偏小等問(wèn)題，其動(dòng)力特性直接影響了抗震能力。 李培[1]等人基于ANSYS 做了斜拉橋承受動(dòng)載荷的特性分析；王家嵩[2]采用反應(yīng)譜法對(duì)斜拉橋進(jìn)行了地震響應(yīng)分析， 指出斜拉橋結(jié)構(gòu)在不同方向地震波激勵(lì)下最大響應(yīng)特性有所不同；陳振濤[3]指出縱向地震激勵(lì)對(duì)斜拉橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響較為明顯。 本文在總結(jié)斜拉橋的概念后，著眼地震對(duì)斜拉橋的破壞作用，通過(guò)有限元建模、子空間迭代法對(duì)某大跨度斜拉橋抗震能力進(jìn)行了研究和分析， 以期為工程實(shí)際應(yīng)用提供理論上的參考。

2 斜拉橋的概念

斜拉橋是將主梁用許多拉索直接拉在橋塔上的一種橋梁，是由承壓的索塔、受拉的斜拉索和承彎的梁體組合起來(lái)的一種結(jié)構(gòu)體系，可看作是拉索代替支墩的多跨彈性支承連續(xù)梁。

3 地震對(duì)斜拉橋的破壞作用

斜拉橋是柔性結(jié)構(gòu)， 在地震的作用下會(huì)表現(xiàn)出復(fù)雜的動(dòng)態(tài)特性。 地震對(duì)斜拉橋的破壞是巨大的，尤其是對(duì)于大跨徑的斜拉橋，不僅會(huì)對(duì)橋基造成永久性的破壞，還會(huì)造成支座移位和滑脫、橋墩破壞、橋臺(tái)肋板開(kāi)裂等事故。 因此，需要對(duì)大跨度斜拉橋的抗震能力進(jìn)行研究和分析。

4 斜拉橋?qū)嶓w工程有限元建模

本文選取某斜拉橋?qū)嶓w工程進(jìn)行有限元建模。 該橋?yàn)殡p塔單索半漂浮形式，跨度760m，跨徑組合為（ 180+400+180）m，橋面寬23m；主塔為倒Y 形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，塔高169m；主梁采用單箱三室鋼箱梁，梁高3.2m。

根據(jù)橋梁的總體布局，基于ANSYS 軟件梁?jiǎn)卧獙?duì)該斜拉橋進(jìn)行仿真建模，利用梁?jiǎn)卧M主塔和橋墩，利用拉桿單元模擬斜拉索，模型如圖1 所示。

圖1 某斜拉橋?qū)嶓w有限元模型

5 地震參數(shù)選取

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該斜拉橋抗震等級(jí)為7 級(jí)，橋梁分類為A類，場(chǎng)地類別為I 類；地震加速度水平向峰值為A，水平地震系數(shù)取0.1；地震加速度豎向峰值?。?2/3）A；地表的反應(yīng)譜對(duì)應(yīng)的阻尼比ξ=0.05。

假設(shè)地震加速度水平方向反應(yīng)譜最大值為Smax，且可由式（ 1）表示：

式中，Ci為抗震重要性系數(shù)；Cs為場(chǎng)地系數(shù)；Cd為阻尼調(diào)整系數(shù)。

一般計(jì)算時(shí)取Ci=Cs=Cd=1，A=1.02， 可以計(jì)算得到Smax=2.205，于是，地震加速度的反應(yīng)譜可以表示為式（ 2）所示形式：

式中，S為地震加速度的反應(yīng)譜；T為結(jié)構(gòu)自振周期；Tg為特征周期。

據(jù)此得出地震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線如圖2 所示。

圖2 地震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線

6 斜拉橋抗震能力分析

對(duì)于復(fù)雜的大跨距斜拉橋， 可以采用子空間迭代法來(lái)求解其低階主振型。 子空間迭代法是求解n自由度體系前s階振型、頻率的方法，它同時(shí)利用多個(gè)線性無(wú)關(guān)的正交規(guī)范向量進(jìn)行類似于乘冪法的迭代， 每迭代一次就得到一個(gè)新的子空間，并且在迭代過(guò)程中應(yīng)用Rayleigh-Ritz 原理進(jìn)行加速。 本文利用ANSYS 軟件并應(yīng)用該方法分析了斜拉橋左塔塔頂、左岸梁端、跨中、1/4 跨、右岸梁端、右塔塔頂?shù)? 處關(guān)鍵部位的位移峰值和左右塔塔根以及中跨跨中的內(nèi)力值， 所得數(shù)據(jù)如表1 和表2 所示。

表1 斜拉橋關(guān)鍵部位在地震波作用下的位移峰值mm

表2 斜拉橋關(guān)鍵部位在地震波作用下的內(nèi)力值

通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以看出，在設(shè)定強(qiáng)度的地震波作用下，關(guān)鍵位置的位移峰值滿足規(guī)范要求， 對(duì)左右塔塔根和中跨跨中梁內(nèi)力值進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)塔根及塔梁抗剪強(qiáng)度、抗壓及抗彎強(qiáng)度都能夠滿足要求，表明斜拉橋具有一定的抗震特性。

7 結(jié)語(yǔ)

從目前的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看， 采用有限元建模并結(jié)合反應(yīng)譜和子空間迭代法來(lái)分析斜拉橋的抗震特性， 具有一定的準(zhǔn)確性。 在具體的工程實(shí)際分析過(guò)程中，還需要采用不同的地震波模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力驗(yàn)算， 并與采用時(shí)程分析方法得出的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，給出更準(zhǔn)確的結(jié)論。