宋 杰

（廣州攬睿路橋設計有限公司，廣東 廣州 510520）

0 引言

隨著中國交通基礎設施的蓬勃發(fā)展，大跨度混合梁斜拉橋的抗震設計工作逐步體現(xiàn)出重要性[1-3]。大跨度混合梁橋的地震反應比較復雜，地震響應不僅受到輸入地震動參數影響，還受橋梁結構型式制約。國內外相關學者Yamamura和Hiroshi Tanaka[4]，史志利[5]、龍曉鴻[6]、范立礎[7-8]等學者研究了大跨度斜拉橋在多點激勵下的地震響應和行波效應?；诖罂缍刃崩瓨蚍且恢滦约顔栴}的復雜性，抗震分析過程中必須重點研究慮[9-11]。

1 研究內容

吉林省四平市165 m+45 m+45 m非對稱混合梁斜拉橋[12-15]具有跨度大、混合主梁、主塔高、結構非對稱等特點，研究其抗震性能比較有代表性。本文以該橋為工程背景，在有限元分析理論的基礎上，采用有限元分析軟件建立MIDAS CIVIL三維模型，計算分析行波效應及余震作用對大跨度混合梁斜拉橋受力狀態(tài)的影響。

2 主橋設計

2.1 主橋設計標準

（1）橋梁設計荷載：城A級（1.3倍）；

（2）道路等級：城市主干道；

（3）設計車速：50 km/h；

（4）橋梁安全等級：一級；

（5）抗震設計：抗震設防烈度Ⅵ度，地震加速度0.05g。

2.2 結構體系

本橋為跨徑布置165 m+45 m+45 m的獨塔單索面非對稱斜拉橋，橋長255 m。采用轉體施工法。整幅橋梁梁體全寬32.6 m。

主橋采用塔-梁-墩固結體系，主塔高90 m，主墩高21 m。主塔采用混凝土結構。斜拉索采用12對單索面雙排索，主梁分為鋼箱梁、預應力混凝土梁和鋼混結合段三部分，梁高3 m，橫向設置2.0%的雙向坡。橋式總體布置見圖1。

圖1 主橋總體布置圖（單位：m）

3 空間模型

采用MIDAS CIVIL2017有限元軟件建立空間模型見圖2，按照規(guī)范及設計標準加載，其中跨過既有鐵路的主跨汽車荷載采用城-A級荷載的同時考慮1.3倍的放大。主梁、橋塔和主墩均采用梁單元進行三維模擬，斜拉索則采用桁架單元模擬，截面特性按實際設計截面參數定義。

圖2MIDASCIVIL有限元模型

4 考慮行波效應的地震響應分析

4.1 計算假定

（1）考慮到結構的不對稱性和各橋墩的不一致剛度，為獲得最不利響應，假定地震波由小里程向大里程方向傳播。計算大跨度混合梁斜拉橋的地震響應，地震波傳播速度分別為150 m/s、450 m/s、1 200 m/s、5 000 m/s，并與一致激勵地震響應做對比分析。

（2）在非一致激勵計算過程中，地震動的響應假定采用Taft波的地震加速度時程曲線模擬。

4.2 行波效應對結構位移的影響

在各種波速下，主塔塔頂和主梁關鍵截面的縱向位移響應最不利值見表1。

表1主塔塔頂和主梁關鍵截面縱向位移響應最值

由表1可知，大跨度非對稱混合梁斜拉橋在順橋向的激勵作用下：

（1）行波效應對橋塔的縱向位移影響較大，地震波的波速大小與橋塔縱向的位移響應成正比，地震波波速逐漸增大并逐步接近一致激勵的響應結果。

（2）行波效應對主梁的縱向位移影響較大，地震波的波速大小與主梁縱向的位移響應成正比，地震波波速度逐漸增大并逐步接近一致激勵的響應結果。主梁的縱向位移與主塔的縱向位移變化規(guī)律一致。

4.3 行波效應對結構內力的影響

在各種波速下，混合梁斜拉橋主塔底部和邊墩底部的內力響應結果見表2。

表2 主塔底部和邊墩底部內力響應最值

從表2可知，大跨度非對稱混合梁斜拉橋考慮行波效應情況下：

（1）行波效應對橋塔的內力影響較大，地震波波速大小與橋塔內力響應基本成正比，地震波波速逐漸增大并逐步接近一致激勵的響應結果。

（2）行波效應導致橋梁結構局部區(qū)域的地震響應增加，同時也減少了部分結構地震響應。近震源端結構內力隨波速的增加接近于一致激勵情況，而遠震源端結構以低速行波時內力較大。

5 余震的地震響應分析

5.1 分析思路

運用剛度折減來模擬地震響應過后各橋墩的損傷狀態(tài)，并計算橋梁結構在余震作用下的響應。通過折減非對稱混合梁斜拉橋樁基、橋塔、邊墩及輔助墩的剛度，假定剛度分別按照10%、20%和30%進行了折減，并通過Taft波模擬余震波，余震波的內力及位移分別與E1、E2地震作用下的計算結果進行對比。

5.2 余震對結構位移的影響

結構剛度折減情況下主塔和主梁關鍵截面位移的最不利值見表3。

表3 剛度折減下主塔和主梁關鍵截面位移最值 m

從表3看出，非對稱混合梁斜拉橋結構在剛度折減后，主塔和主梁關鍵截面的縱向和橫向位移響應結果如下：

（1）剛度折減對橋塔的位移影響較大，剛度折減大小與橋塔位移基本成正比。隨著剛度降低逐步加大，結構縱向位移逐步接近E2地震作用下的位移響應。為避免因過度位移而造成橋梁結構損壞，建議采取措施限制橋梁的縱向位移。

（2）鑒于主梁剛度未折減而降低，主梁的位移是由橋塔縱向位移引起的，主梁縱向位移響應基本和主塔的變化一致。

（3）剛度折減法模擬余震，剛度折減30%的結構局部區(qū)域的位移甚至超過了E2地震響應，進一步闡述余震對結構的破壞接近主震，不容忽視。

5.3 余震對結構應力的影響

結構剛度折減情況下，墩塔結構的最不利應力值見表4。

從表4可以看出，非對稱混合梁斜拉橋結構在剛度折減而降低后，主塔和各墩應力響應結果如下：

（1）剛度折減對橋塔的應力影響較大，剛度折減大小與橋塔應力基本成正比。隨著剛度降低逐步加大，結構縱向位移逐步接近E2地震作用下的應力響應。橫+豎向的應力最不利值變化要大于縱+豎向，剛度折減而降低對橫向+豎向的荷載輸入影響相對更大。

（2）主塔的剛度折減而降低對其應力影響有限。隨著主塔剛度的減少，橋墩內力重新分布后承受了更多內力，應力也增加。

6 結論

（1）行波效應對橋塔的內力和縱向位移影響較大，地震波波速大小與橋塔內力和縱向位移響應基本成正比，地震波波速逐漸增大并逐步接近一致激勵的響應結果。行波效應導致橋梁結構局部區(qū)域的地震響應增加，同時也減少了部分結構地震響應。近震源端結構內力隨波速的增加接近于一致激勵情況，而遠震源端結構以低速行波時內力較大。

表4 剛度折減下墩塔結構的最不利應力值MPa

（2）通過剛度折減的方法來模擬強余震對結構的影響，剛度降低多少與主梁和橋塔應力和位移基本成正比。隨著剛度折減逐步加大，結構應力和縱向位移逐步接近E2地震作用下的地震響應。隨著主塔剛度的減少，橋墩內力重新分布后承受了更多內力，應力也隨之增加。鑒于強余震作用能對橋梁結構造成接近主震程度的破壞，抗震分析研究應尤其重視。