摘要 文章通過建立天門特大橋結(jié)構(gòu)的三維空間動力有限元分析模型，驗算此結(jié)構(gòu)的抗震性能，分析結(jié)構(gòu)的主要動力性能特點。校核了兩個設(shè)防水準(zhǔn)的地震作用下結(jié)構(gòu)的抗震性能，識別結(jié)構(gòu)的易損部位和構(gòu)件的破壞機理，分別對主橋橋塔的抗震性能及樁基的抗震性能進行驗算，由計算結(jié)果可知兩者均滿足抗震性能的要求，在此基礎(chǔ)上對大橋結(jié)構(gòu)的抗震安全性作出評價，提出抗震研究的結(jié)論和建議，針對結(jié)構(gòu)特點提出了減隔震的優(yōu)化措施，并對設(shè)置的抗震優(yōu)化措施方案進行結(jié)構(gòu)動力分析，保證結(jié)構(gòu)在地震作用下受到的傷害盡可能降到最小。

關(guān)鍵詞 橋梁工程；抗震性能驗算；減隔震措施優(yōu)化；有限元分析

中圖分類號 U442.55 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）15-0192-03

0 引言

我國是一個地震多發(fā)的國家，自唐山大地震發(fā)生以來，抗震防災(zāi)工作正日益受到重視。盡管到目前為止，橋梁結(jié)構(gòu)受到地震作用而破壞的例子并不多見，但是基于其在經(jīng)濟、交通方面的重要作用，非常有必要對其進行抗震設(shè)防[1]。目前國內(nèi)外的抗震規(guī)范僅僅適用于中小跨度橋梁，對于超過適用范圍的大跨橋梁，其適用性便大打折扣[2-3]。

1 工程概況

天門特大橋主橋為820 m 單跨簡支鋼桁梁懸索橋。主纜邊跨分別為254 m、247 m；主纜中跨650 m，垂跨比約為1/9.5；主塔塔高分別為195.0 m、135.0 m；主梁采用鋼桁加勁梁；兩岸均采用重力式錨碇。兩岸引橋采用先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)40 m T 梁。兩岸主塔采用鋼筋混凝土塔柱結(jié)構(gòu)，為外傾門形框架。安順岸、盤州岸塔柱高分別為195.0 m、135.0 m。安順岸塔柱頂設(shè)一道上橫梁，一道中橫梁，塔底接分離式承臺，承臺間設(shè)一道地系梁。盤州岸塔柱頂設(shè)一道上橫梁，一道中橫梁，采用左右不等高塔柱、塔底接分離式承臺，主梁塔端豎向支座支撐于中橫梁上。加勁梁采用板桁組合結(jié)構(gòu)的鋼桁加勁梁，由主桁、橫桁、橋面板、下平聯(lián)等組成。主桁為帶豎桿的華倫式桁架，桁高6.5 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間長6.8 m，兩片主桁中心間距為36 m，主桁通過吊索與主纜相連。主桁上、下弦桿采用箱形截面，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段豎腹桿、斜腹桿采用“ 工”形截面，端節(jié)段則采用箱形斷面。

項目區(qū)地處貴州高原西部，場區(qū)屬溶蝕地貌單元。場地為峽谷地形，橋梁跨越北盤江，兩岸主塔之間為峽谷兩岸陡崖，坡度均處于75～85° 之間，安順岸引橋段為中～ 陡坡，坡度20～30°；盤州岸引橋段為中～ 陡坡，坡度20～30°。場區(qū)地面高程介于736.0～1423.0 m 之間，相對高差約687.0 m。場區(qū)位于揚子準(zhǔn)地臺— 黔北臺隆— 六盤水?dāng)嘞荨?普安旋扭構(gòu)造變形區(qū)。場區(qū)巖層整體局部扭曲，以橋位中部北盤江為界，安順岸產(chǎn)狀315～337° ∠ 12～26°；盤州岸產(chǎn)狀272～323° ∠ 16～26°。場區(qū)下伏基巖為灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r夾泥巖，地表廣泛分布紅黏土，鉆探揭露橋區(qū)紅黏土呈可塑狀，厚度0～9.0 m，場區(qū)紅黏土厚度有限，根據(jù)勘察，橋區(qū)各墩、臺基礎(chǔ)均穿透了紅黏土，進入下伏的基巖之中，但設(shè)計及施工應(yīng)考慮紅黏土的影響。綜合地震安評報告及《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015），查得場區(qū)跨越Ⅵ度區(qū)與Ⅶ度區(qū)，以北盤江為界，安順岸地震動反應(yīng)頻譜特征周期為0.40 s，地震動峰值加速度值為0.10 g，對應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度；盤州岸地震動反應(yīng)頻譜特征周期為0.40 s，地震動峰值加速度值為0.05 g，對應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度。建議橋區(qū)地震基本烈度按Ⅶ度考慮。

2 設(shè)計地震動參數(shù)

2.1 設(shè)計反應(yīng)譜

大橋為懸索橋結(jié)構(gòu)體系，依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，阻尼比取0.02。根據(jù)地震安評報告，研究擬采用的工程場地設(shè)計地震動參數(shù)如表 1 所示。

2.2 設(shè)計時程

研究擬采用的場地水平向設(shè)計地震動時程曲線如圖1～2 所示，時間步長0.02 s。

3 計算模型與動力特性分析

3.1 計算模型

主橋結(jié)構(gòu)抗震性能分析采用離散結(jié)構(gòu)有限單元法，借助有限元計算軟件Sap2000 進行。有限元計算模型整體坐標(biāo)系以順橋向為X 軸，橫橋向為Y 軸，豎向為Z 軸。主梁、橋塔等構(gòu)件均采用空間梁單元模擬，主纜及吊桿采用空間索單元模擬，基礎(chǔ)按六自由度土彈簧模擬。

3.2 動力特性分析

結(jié)構(gòu)動力特性分析采用Lanczos 算法。分析時考慮結(jié)構(gòu)自重狀態(tài)P-Delta 效應(yīng)。對基本結(jié)構(gòu)模型進行了動力特性分析。根據(jù)計算結(jié)果，結(jié)構(gòu)第一階振型為主梁側(cè)彎，頻率0.101 Hz，周期9.864 s；第二階振型為主梁縱漂，頻率0.105 Hz，周期9.549 s；第三階振型為主梁豎彎，頻率0.155 Hz，周期6.443 s。

4 減隔震優(yōu)化措施研究

4.1 塔梁阻尼器布置方案

單座橋塔與主梁通過2 個阻尼器相連，均沿縱橋向布置，全橋共設(shè)4 個阻尼器。研究根據(jù)阻尼器布置方案，在結(jié)構(gòu)有限元基本模型上，采用阻尼連接單元模擬阻尼器裝置，建立具有不同阻尼器參數(shù)的多個計算模型，并施加相同的E2 縱向地震荷載作用，通過非線性時程分析，提取獲得橋梁關(guān)鍵截面的最不利地震響應(yīng)。然后圍繞如承臺底內(nèi)力、梁端位移等關(guān)鍵響應(yīng)指標(biāo)，對不同阻尼器參數(shù)的地震響應(yīng)改善效果進行對比分析。最后，綜合不同指標(biāo)的分析結(jié)果，并參考工程經(jīng)驗，選取改善效果較優(yōu)的阻尼器參數(shù)作為建議參數(shù)。

4.2 結(jié)構(gòu)響應(yīng)對比

在研究選取的系列關(guān)鍵響應(yīng)指標(biāo)下，設(shè)不同參數(shù)的阻尼器改善效果如圖3～5 所示。

5 結(jié)論

該文按照E1 和E2 兩水平地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，對天門特大橋進行了抗震性能驗算。根據(jù)對結(jié)構(gòu)在E1 和E2 兩個水準(zhǔn)地震的關(guān)鍵截面抗力校核結(jié)果可以看出，主橋塔及主塔樁基均滿足抗震性能要求。為了進一步提升結(jié)構(gòu)整體的抗震性能，在該研究的基礎(chǔ)上，針對結(jié)構(gòu)設(shè)置的抗震優(yōu)化措施方案進行結(jié)構(gòu)動力分析，以最大程度地降低地震對此特大橋造成的傷害。

參考文獻

[1] 雷俊卿， 宋力勛. 汶川百花大橋震害分析與抗震性能研究[J]. 北京交通大學(xué)學(xué)報， 2012（1）： 1-16.