【摘要】為探究地震作用下，雙柱式雙塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系的響應(yīng)，以南水北調(diào)橋?yàn)楣こ瘫尘埃捎肕idas/Civil有限元建立全橋模型，基于地震時(shí)程分析法分析了地震作用下，漂浮體系、半漂浮體系和剛構(gòu)體系斜拉橋的主塔位移和內(nèi)力響應(yīng)以及主梁位移響應(yīng)，研究結(jié)果表明：采用剛構(gòu)體系斜拉橋時(shí)，可以增加雙塔斜拉橋的整體剛度，減小地震作用下主塔和主梁的縱向位移響應(yīng)；剛構(gòu)體系斜拉橋的塔底彎矩和剪力由于塔梁固結(jié)，大幅增加，在地震作用下，可能對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能產(chǎn)生不利影響。

斜拉橋； 地震動(dòng)； 地震響應(yīng)

【中圖分類號(hào)】U448.27【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

［定稿日期］2022-11-04

［作者簡(jiǎn)介］張劍鋒（1993—），男，碩士，助理工程師，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析工作。

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)的基建設(shè)施的建設(shè)發(fā)展迅速，特別是我國(guó)橋梁的建設(shè)發(fā)展，不僅出現(xiàn)了多種結(jié)構(gòu)形式，而且橋梁的跨度也逐漸越來(lái)越大，其中斜拉橋的結(jié)構(gòu)形式美觀，跨越能力強(qiáng)，在大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)多考慮斜拉橋型式。由于我國(guó)地處四大地震帶，對(duì)大跨度斜拉橋的結(jié)構(gòu)安全易產(chǎn)生威脅，因此保證地震作用下斜拉橋結(jié)構(gòu)的安全使用功能，是當(dāng)前研究的重要方向。

目前，很多學(xué)者開(kāi)展了較多的大跨斜拉橋地震響應(yīng)研究，對(duì)于地震響應(yīng)分析的研究已經(jīng)較為成熟，王利剛等［1］以跨江大橋?yàn)檠芯勘尘?，開(kāi)展了大跨雙塔斜拉橋的合理抗震體系研究；許莉等［2］以680 m主跨的大跨斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，基于半橋試?yàn)，開(kāi)展了雙塔斜拉橋的地震響應(yīng)研究；佘良勇等［3］從結(jié)構(gòu)體系、主梁簡(jiǎn)化、材質(zhì)、施工方案和高烈度地震區(qū)等方面開(kāi)展了雙塔斜拉橋的設(shè)計(jì)方案研究；張文鋒［4］采用Ansys有限元分析了雙塔斜拉橋在順橋向和豎向地震作用下的地震響應(yīng)；屈愛(ài)平等［5］針對(duì)不對(duì)稱雙塔斜拉橋開(kāi)展了多點(diǎn)激勵(lì)作用下的地震響應(yīng)分析，成果可為同類型工程提供參考；巫生平等［6］以某416 m雙塔斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘埃捎梅磻?yīng)譜法、時(shí)程分析法和功率譜法研究分析了大跨斜拉橋的地震響應(yīng)；周勇［7］基于Ansys有限元分析了大跨度斜拉橋的動(dòng)力特性和地震響應(yīng)；鄭亮［8］通過(guò)對(duì)山區(qū)雙塔斜拉橋的抗震性能計(jì)算分析，確定了該橋的薄弱部位，并對(duì)阻尼器和減震支座進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析。

綜上所述，對(duì)于大跨度雙塔斜拉橋的地震響應(yīng)研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是對(duì)于地震作用下斜拉橋結(jié)構(gòu)體系的響應(yīng)研究較為少見(jiàn)，因此，本文以南水北調(diào)橋?yàn)檠芯勘尘?，開(kāi)展了地震作用下斜拉橋結(jié)構(gòu)體系的響應(yīng)研究，主要研究其結(jié)構(gòu)體系受地震作用的影響，成果可為斜拉橋設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 工程概況

南水北調(diào)橋采用（115+252+115） m預(yù)應(yīng)力混凝土雙塔斜拉橋，兩岸引橋采用先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)預(yù)應(yīng)力裝配式T梁。橋梁全長(zhǎng)482 m，主塔最大高度100 m。主塔采用雙柱式薄壁箱形寶瓶主塔，啞鈴型承臺(tái)群樁基礎(chǔ)；過(guò)渡墩采用空心薄壁墩，承臺(tái)群樁基礎(chǔ)。橋型布置見(jiàn)圖1。

2 有限元模型

2.1 模型條件

采用Midas/Civil有限元建模，全橋離散為平面桿系單元，共1 233個(gè)節(jié)點(diǎn)，954個(gè)單元，其中主梁、橋塔和樁基礎(chǔ)采用梁?jiǎn)卧?，?10個(gè)，斜拉索采用桁架單元，共144個(gè)。計(jì)算模型如圖2所示。樁基底部采用完全固結(jié)，樁基側(cè)向設(shè)置橫向剛度支撐；主塔及過(guò)渡墩支座位置約束豎向及橫橋向位移。

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

南水北調(diào)橋的模型參數(shù)見(jiàn)表1。

3 動(dòng)力特性分析

采用Midas/Civil對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析，結(jié)果見(jiàn)表2～表4。

4 地震響應(yīng)分析

本文考慮了地震作用對(duì)斜拉橋結(jié)構(gòu)的影響。

4.1 地震動(dòng)輸入

由于該大橋位于高烈度區(qū)，因此，需要分析該橋在地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，研究地震響應(yīng)對(duì)該橋的影響規(guī)律。地震動(dòng)根據(jù)橋梁場(chǎng)地的工程條件，采用Seismomatch軟件擬合三條人工地震波。三條地震動(dòng)的編號(hào)分別為B1、B2、B3，見(jiàn)圖3。

4.2 塔頂縱向位移

地震作用下，漂浮體系、半漂浮體系和剛構(gòu)體系斜拉橋的主塔塔頂縱向位移響應(yīng)峰值見(jiàn)表5，三種結(jié)構(gòu)體系斜拉橋的主塔塔頂縱向位移時(shí)程對(duì)比見(jiàn)圖4。

由表5可知，漂浮體系由于塔梁之間無(wú)約束，在地震作用下主塔塔頂?shù)奈灰屏孔畲?，塔梁之間設(shè)置彈性約束的半漂浮體系在地震作用下，塔頂位移量減小，而剛構(gòu)體系由于塔梁固結(jié)，塔頂位移量最小。

由圖4可知，在地震作用下，漂浮體系斜拉橋的塔頂縱向位移小于半漂浮體系斜拉橋塔頂最大縱向位移，可能是由于在地震作用下漂浮體系斜拉橋不僅受縱向和橫向振動(dòng)，而且還受豎向振動(dòng)的影響，而半漂浮體系斜拉橋塔梁之間設(shè)置有彈性連接（限制豎向和橫向位移），受順橋向振動(dòng)更強(qiáng)烈點(diǎn)，因此半漂浮體系斜拉橋的塔頂縱向位移略大；剛構(gòu)體系由于塔梁墩固結(jié)，順橋向橋梁剛度增加，因此塔頂縱向最大位移較小。

4.3 主梁跨中位移響應(yīng)

地震作用下，漂浮體系、半漂浮體系和剛構(gòu)體系斜拉橋的主梁跨中位移響應(yīng)峰值見(jiàn)表6，三種結(jié)構(gòu)體系斜拉橋的主梁跨中位移時(shí)程對(duì)比見(jiàn)圖5和圖6。

由表6可知，半漂浮體系斜拉橋的主梁豎向位移峰值最大，漂浮體系斜拉橋的跨中豎向位移略小于剛構(gòu)體系，可能是由于地震作用下，漂浮體系斜拉橋主梁無(wú)約束，在地震作用下，主梁沿縱向和豎向振動(dòng)，主梁的振動(dòng)方向不一致；而剛構(gòu)體系采用全固結(jié)的形式，在地震作用下，主梁振動(dòng)方向一致，因此，主梁的豎向位移略大于漂浮體系斜拉橋。

由圖5可知，在地震作用下，漂浮體系斜拉橋和半漂浮體系斜拉橋的主梁跨中縱向位移變化曲線基本重合，漂浮體系和半漂浮體系斜拉橋的主梁縱向最大位移峰值分別為0.056 3 m和0.056 4 m。剛構(gòu)體系斜拉橋的主梁跨中縱向位移最小，為0.044 1 m，比漂浮體系和半漂浮體系斜拉橋的主梁跨中縱向位移減小了22%。主要是由于剛構(gòu)體系全固結(jié)，整體性好，縱向剛度大。從分析結(jié)果看，采用塔梁固結(jié)體系可以增加全橋的順橋向剛度，降低地震作用下主梁的縱向位移。

由圖6可知，在地震作用下，三種體系斜拉橋的主梁跨中豎向位移基本一致，其最大響應(yīng)相差不超過(guò)12%，表明地震作用下，結(jié)構(gòu)體系對(duì)斜拉橋主梁跨中的豎向位移響應(yīng)的影響不大。

4.4 主塔內(nèi)力響應(yīng)

地震作用下，漂浮體系、半漂浮體系和剛構(gòu)體系斜拉橋的主塔內(nèi)力響應(yīng)峰值見(jiàn)表7，三種結(jié)構(gòu)體系斜拉橋的主塔內(nèi)力時(shí)程對(duì)比見(jiàn)圖7～圖9。

由圖7和表7可知，在地震作用下，漂浮體系和半漂浮體系斜拉橋主塔的軸力相差很小，剛構(gòu)體系斜拉橋塔軸力最小，出現(xiàn)這種結(jié)果可能是由于半漂浮體系斜拉橋塔梁間設(shè)有彈性支撐（約束豎向和橫向），主梁在地震作用下縱向振動(dòng)很劇烈，導(dǎo)致主塔承受拉索的豎直分力較大；漂浮體系斜拉橋主梁的豎向振動(dòng)較為劇烈，經(jīng)拉索傳遞給主塔的豎向力較大，導(dǎo)致塔底的軸力很大；剛構(gòu)體系由于全固結(jié)，橋梁整體剛度較大，因此其塔底軸力響應(yīng)較小。

由圖8和表7可知，在地震作用下，半漂浮體系和剛構(gòu)體系斜拉橋的塔底剪力響應(yīng)相差很小，其響應(yīng)峰值分別為20 441.44kN和19 698.12kN，相差在3.6%以內(nèi)，漂浮體系斜拉橋的塔底剪力較小為13 233kN，比半漂浮體系斜拉橋的塔底剪力減小35.3%，比剛構(gòu)體系斜拉橋的塔底剪力減小32.8%，采用漂浮體系斜拉橋可減小地震作用下主塔塔底的剪力。

由圖9和表7可知，在地震作用下，剛構(gòu)體系斜拉橋的塔底彎矩峰值最大，達(dá)到242 660.7 kN·m，漂浮體系斜拉橋和半漂浮體系斜拉橋的塔底彎矩峰值基本接近，分別為108 803.47 kN·m和104 790.4 kN·m，剛構(gòu)體系斜拉橋的塔底彎矩比漂浮體系斜拉橋增加55.2%，比半漂浮體系斜拉橋的塔底彎矩增加56.8%，采用剛構(gòu)體系時(shí)，斜拉橋主塔塔底彎矩大幅增加，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震有一定的影響。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)雙柱式雙塔斜拉橋在地震作用下的響應(yīng)分

析，得到主梁和主塔的位移響應(yīng)峰值，以及主塔的內(nèi)力響應(yīng)峰值，通過(guò)對(duì)比三種體系斜拉橋的地震響應(yīng)，得出結(jié)論：

（1）在地震作用下，相比其他兩種體系斜拉橋，剛構(gòu)體系斜拉橋的主塔和主梁縱向位移較小，說(shuō)明采用剛構(gòu)體系可以增加斜拉橋的整體剛度，可有效減小主塔和主梁的縱向位移。

（2）三種體系斜拉橋的主梁豎向位移基本一致，說(shuō)明地震作用下，主梁的豎向位移響應(yīng)受結(jié)構(gòu)體系的影響很小。

（3）剛構(gòu)體系由于塔梁固結(jié)，在地震作用下，塔底彎矩和剪力大幅增加，可能對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震產(chǎn)生不利影響。

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