張 波 鄭宇欣

（四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610031）

0 引言

大跨度懸索橋是一種柔性結(jié)構(gòu)，主梁在縱橋向一般為漂浮體系，汽車(chē)活載、制動(dòng)力、風(fēng)荷載及地震等作用下，主纜和主梁都會(huì)產(chǎn)生縱橋向位移，且纜、梁位移不同步，引起吊索彎折[1]。在跨中附近由于吊索最短，彎折現(xiàn)象將更加明顯。為了減小活載引起主梁的縱向位移和風(fēng)振等引起跨中短吊索的彎折、疲勞問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)類似工程常在跨中設(shè)置中央扣拉索[2]。

常用中央扣分為剛性中央扣和柔性中央扣[3]，此外針對(duì)地震荷載效應(yīng)突出的特大懸索橋，也有采用屈曲約束支承的阻尼中央扣[4]。本文就中央扣對(duì)懸索橋抗震性能的影響進(jìn)行研究。

1 中央扣方案

為對(duì)比不同的中央扣體系對(duì)主橋抗震性能的影響，分別建立無(wú)中央扣、剛性中央扣、柔性中央扣及阻尼中央扣4 個(gè)空間動(dòng)力計(jì)算模型。其中剛性中央扣采用H 型Q355鋼材，高度0.65m，寬度0.64m，板厚0.03m；柔性中央扣采用單根265Φ5.0mm 高強(qiáng)平行鋼絲吊索；阻尼中央扣采用屈曲約束支撐桿件，屈服承載力5000kN，極限承載力7000kN，屈服前剛度500kN/mm，屈服后剛度15kN/mm。中央扣方案見(jiàn)表1所示。

表1 中央扣方案比較

2 某實(shí)橋案例分析

2.1 工程概況

本橋?yàn)橹骺?060m 單跨鋼桁架梁懸索橋，主纜跨徑組成為172m+1060m+260m。兩根主纜中心距為27.5m，成橋狀態(tài)下的中跨垂跨比為1∶9。橋塔側(cè)吊索距橋塔中心線水平距離為20m，其余吊索標(biāo)準(zhǔn)水平間距為15m?？傮w布置如圖1 所示。E2 地震內(nèi)力采用非線性時(shí)程計(jì)算，主塔塔柱關(guān)鍵截面如圖2所示。

圖1 橋跨總體布置圖

圖2 主塔關(guān)鍵截面示意

2.2 有限元模型

結(jié)構(gòu)縱向整體采用有限元分析軟件MIDAS/CIVIL進(jìn)行空間三維建模，對(duì)結(jié)構(gòu)按規(guī)范計(jì)算分析。

主纜與主塔之間的連接采用主從節(jié)點(diǎn)模擬；主梁支座采用彈性連接模擬；主塔樁基根據(jù)樁土作用按節(jié)點(diǎn)彈性支撐模擬、主纜端部設(shè)固結(jié)約束。全橋共離散為9786個(gè)節(jié)點(diǎn)，10926個(gè)梁?jiǎn)卧?688個(gè)板單元，352個(gè)索單元，16個(gè)桁架單元。結(jié)構(gòu)離散模型如圖3所示。

圖3 整體有限元計(jì)算模型

2.3 動(dòng)力特性對(duì)比

分別建立方案A~方案D 的動(dòng)力計(jì)算模型，得出各方案的振型，通過(guò)對(duì)比可知：各方案第一階振型均為主梁對(duì)稱橫彎，且4 個(gè)方案頻率基本一致；第二階振型均為主梁縱飄+反對(duì)稱豎彎，設(shè)置中央扣后，剛性中央扣、柔性中央扣、阻尼中央扣方案與無(wú)中央扣方案相比，頻率提高比例分別為10.69%、10.62%、10.77%，可見(jiàn)中央扣對(duì)主梁縱飄有一定的限制作用；同時(shí)，中央扣對(duì)提高主梁的反對(duì)稱扭轉(zhuǎn)剛度效果明顯，設(shè)置中央扣后，剛性中央扣、柔性中央扣、阻尼中央扣方案與無(wú)中央扣方案相比，反對(duì)稱扭轉(zhuǎn)頻率提高比例分別為17.87%、15.81%、18.36%。根據(jù)抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范，反對(duì)稱扭轉(zhuǎn)頻率越大，則懸索橋的靜風(fēng)橫向失穩(wěn)臨界風(fēng)速越大，表明中央扣對(duì)提高主梁橫向抗風(fēng)穩(wěn)定性的積極作用越強(qiáng)。各方案主梁不同模態(tài)基頻對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 各中央扣方案結(jié)構(gòu)基頻對(duì)比（單位：Hz）

2.4 主塔E2地震縱向內(nèi)力對(duì)比

分析塔柱在縱橋向的邊界約束，塔柱在塔頂受主纜的彈性約束，在塔底受基礎(chǔ)的固結(jié)約束，而塔柱中間為自由狀態(tài)，因此地震下塔柱的最大縱向位移出現(xiàn)在塔柱約3/4 的高度處。E2 時(shí)程作用主橋縱向最大位移和最小位移如圖4 所示。剛性、柔性、阻尼中央扣方案與無(wú)中央扣相比，寧南側(cè)塔柱最大縱向位移分別增加了32.8%、27.1%、30.7%，而巧家側(cè)塔柱最大縱向位移分別減小了-30.5%、-25.6%、-30.4%。表明設(shè)置中央扣后，寧南側(cè)塔柱縱向地震響應(yīng)增大，而巧家側(cè)塔柱縱向地震響應(yīng)減小。各方案塔柱縱向位移對(duì)比見(jiàn)表3。

圖4 E2時(shí)程作用主橋縱向最大、最小位移示意圖

表3 E2時(shí)程作用下各個(gè)方案塔柱最大縱向位移對(duì)比（單位：mm）

對(duì)比E2 時(shí)程作用下各方案塔柱縱橋向內(nèi)力，以塔底截面為例，剛性、柔性、阻尼中央扣方案與無(wú)中央扣相比，寧南側(cè)塔底截面彎矩分別增大34.8%、29.3%、32.0%，剪力分別增大12.0%、15.7%、11.1%；巧家側(cè)塔底截面彎矩分別減小-25.8%、-22.0%、-25.1%，剪力分別減小-23.0%、-20.4%、-22.8%。

各方案主塔關(guān)鍵截面縱向彎矩計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4；各方案主塔關(guān)鍵截面最不利剪力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 恒+E2時(shí)程下各方案橫梁最不利彎矩對(duì)比（單位：kN·m）

表5 恒+E2時(shí)程下各方案橫梁最不利剪力Fz對(duì)比（單位：kN·m）

2.5 中央扣動(dòng)力對(duì)比

E2 地震作用下，剛性中央扣的最大拉應(yīng)力為523MPa，最大壓應(yīng)力為-597MPa，柔性中央扣的最大拉應(yīng)力為2156MPa，最大壓應(yīng)力為-2225MPa，遠(yuǎn)超過(guò)兩者的承載能力。對(duì)于普通的剛性中央扣，由于其屈服后受壓時(shí)產(chǎn)生失穩(wěn)屈曲，其滯回耗能作用無(wú)法準(zhǔn)確衡量，因此剛性中央扣計(jì)算時(shí)不考慮其耗能作用。而對(duì)于柔性中央扣，一方面由于其材質(zhì)為高強(qiáng)度鋼絲，另一方面受壓時(shí)會(huì)退出工作，因此也不具備耗能性能。

阻尼中央扣采用屈曲約束支撐桿件，E2 地震作用下，軸力超過(guò)5000kN 后進(jìn)入屈服狀態(tài)，屈服前剛度500kN/mm，屈服后剛度15kN/mm。由于其屈服后剛度很小，因此屈服后軸力增加受到控制，經(jīng)計(jì)算E2 地震作用下阻尼中央扣最大拉力為5273kN，最大壓力為-5307kN，滿足受力要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)方案A~D4種中央扣方案對(duì)比計(jì)算，可以得出以下結(jié)論：

（1）中央扣可提高主梁的縱飄振型及一階反對(duì)稱扭轉(zhuǎn)的頻率，其中方案D 阻尼中央扣提高的比例最高，方案C 柔性中央扣提高的比例最低。表明中央扣對(duì)減小主梁縱向位移及提高主梁橫向抗風(fēng)穩(wěn)定性有積極作用。

（2）設(shè)置中央扣后，會(huì)造成寧南側(cè)塔柱縱向地震響應(yīng)增大，而巧家側(cè)塔柱縱向地震響應(yīng)減小。方案B~方案D不同中央扣方案對(duì)塔柱地震內(nèi)力的影響相當(dāng)。

（3）剛性中央扣及柔性中央扣方案存在地震內(nèi)力過(guò)大，承載力無(wú)法滿足的問(wèn)題。而阻尼中央扣進(jìn)入屈服狀態(tài)后內(nèi)力增加受到控制，承載力可滿足抗震需求。

綜上所述，該實(shí)橋宜采用方案D，即阻尼中央扣方案。