楊光

（大連市市政設計研究院有限責任公司，遼寧大連110006）

自錨式單索面懸索橋地震響應分析

楊光

（大連市市政設計研究院有限責任公司，遼寧大連110006）

對自錨式懸索橋的動力特性進行了分析，選取3組實際記錄的地震波，對自錨式懸索橋進行地震作用下的動力時程分析，有關經驗可供相關專業(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，強地震的發(fā)生對橋梁的動力作用會引發(fā)結構安全問題。傳統懸索橋傳力途經簡單明確，結構布置的變化較少，同時，懸索橋屬于大跨柔性結構，結構的基本周期比較長，在地震作用下的受力一般不會很大，常規(guī)懸索橋橋塔設置較為粗壯，塔柱在地震作用下基本在彈性狀態(tài)范圍內。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。結構體系較傳統懸索橋復雜，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構。塔柱無論是構造，還是受力狀態(tài)均比常規(guī)懸索橋復雜，因此有必要對貴城大橋進行地震作用下的響應分析。

1　地震反應動力分析方法［1-4］

地震反應動力分析法采用計算機分析結構地震時的動態(tài)狀況，該法首先選定合適的地震動作為結構的激勵，在頻域或時域內進行線性或非線性反應分析，該法又有兩種途徑。

1.1地震反應譜法

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

反應譜概念簡單，計算方便。但也存在一些缺陷，反應譜理論無法反映許多實際結構的復雜因素，不能描述出地震作用下橋梁的反應過程，而只能給出反應的極值。

1.2時程反應分析法

動態(tài)時程反應分析法是隨著強震記錄的增多和計算機技術的廣泛應用而發(fā)展起來的，是公認的精細分析方法。動態(tài)時程反應分析法首先利用有限元法有限元法建立橋梁結構計算模型并建立相應的振動方程：

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

2　貴城大橋地震作用響應分析

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，每側各設置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，在抗震分析中有關地震動加速度時程的選擇主要有3種方法：直接利用強震記錄、采用人工地震加速度和規(guī)范標準化地震加速度時程。

本文選取3條實際強震記錄，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。本項目場地特征周期為0.55 s，特征周期相差均在5%以內。三條曲線加速度峰值調整系數分別為0.62、0.817和0.402。經過調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

貴城大橋為自錨式懸索橋，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，橋塔內力見表1。計算塔底截面彎矩-曲率曲線，其中材料強度取標準值，彎矩曲率-曲線見圖11、圖12。

表1　橋塔地震作用下內力匯總表

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。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。經驗算，貴城大橋在地震作用下能夠保證結構安全，并為同類橋型抗震設計提供了經驗，但還存在以下幾個問題：

（1）貴城大橋為自錨式懸索橋，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，在進一步的深化設計中應考慮樁-土效應。

（3）本次地震動力時程分析地震作用方式采用一致激勵，在精細設計中應考慮行波效應及多點激勵。

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

［2］ JTG/TB 02-01-2008，公路橋梁抗震設計細則［S］.

［3］CJJ 166-2011，城市橋梁抗震設計規(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，從事橋梁設計工作。