大跨度斜拉桥地震响应反应谱分析

刘　兵

(中铁二局二公司， 四川成都 610032)



大跨度斜拉桥地震响应反应谱分析

刘兵

(中铁二局二公司， 四川成都 610032)

为了研究大跨度斜拉桥地震响应规律，以某跨径组合为60+90+150+680+150+90+60 (m)的斜拉桥为例，建立了斜桥的三维有限元模型，考虑桥梁所处不同的地质环境，分析了该大跨度斜拉桥的动力特性，通过计算得出了该桥的关键点的位移响应及主塔关键截面的内力地震反应响应值。研究结果表明：桥梁关键点的位移和主塔关键截面的内力响应在100年超越概率水平为2%(E1)最大，当地震力纵向与竖向的组合输入时，与100年超越概率水平为10%(E3)相比，50年超越概率水平2%(E2)主跨跨中的纵向位移增大了1.51倍，左塔与下横梁连接处的纵向弯矩、纵向剪力和竖向剪力分别增大了47 %、43 %和44 %；当地震力横向与竖向的组合输入时，E1概率水平下主梁跨中的横向位移为0.64 m，右塔与下横梁连接处的竖向弯矩、纵向剪力和横向剪力分别为1 356 MN·m、87 MN和35.4 MN，综合考虑地质条件与不同地震力组合输入对该桥的影响是必要的。

大跨度斜拉桥；反应谱；地震响应

本世纪，地震频发，震级高，对人类的生产和生活造成了极为严重的影响，桥梁作为一项生命线公共基础设施工程，地震时，重要结构一旦发生损坏，短时间内修复难度大，桥上交通陷于瘫痪，严重影响了灾后的救援工作，人民的生命财产受到重创。为将地震损失降到最低、减少地震的次生灾害，根本性在于提高桥梁结构安全可靠性，而可靠性源于合理的抗震设计方法。

目前，国内外对于桥梁结构抗震的研究方法主要有确定性分析方法的反应谱法和时程反应法。

本文借用ANSYS大型通用有限元软件首先建立了大跨度斜拉桥的三维有限元模型，采用反应谱分析理论，对大跨度斜拉桥进行了地震反应谱分析，得到了该桥型关键点的位移与主塔关键截面的内力响应规律，为此种桥型的抗震设计提供参考价值。

1　工程算例分析

1.1工程概况

该斜拉桥主跨为680 m，等高的双塔结构，全桥长度为1 280 m，采用封闭式流线型扁平整幅钢箱梁，有抗风性能好、整体性强的特点。主梁标准节段长15 m，边跨梁段长9 m，桥面宽28.7 m，梁高3.5 m，设2.0 %双向坡，采用半漂浮体系。索塔采用花瓶形式的结构，塔高223.0 m，塔之间由三道横梁组成，均为单箱单室截面，下横梁梁高7.0 m、宽10.0 m，中横梁梁高5.0 m、宽8.0 m，上横梁梁高3.0 m、宽6 m。每个索面由21对索组成，全桥总计斜拉索168根，呈扇形布置，采用Φ15.2 mm平行钢绞线体系。

本文借用ANSYS大型通用有限元软件建立了斜拉桥三维有限元模型(图1)。双塔采用beam44单元进行模拟，桥面系采用脊梁式进行模拟钢箱梁截面，主梁、横梁采用beam4单元进行模拟，斜拉索采用link8单元进行模拟，用节点耦合进行模拟主梁节点与桥塔横梁处的支座，纵向为X轴，竖向为Y轴，横桥向为Z轴。

图1　三维有限元模型

1.2动力特性

为达到结构响应的精度要求，考虑模型前100阶的自振频率参与计算，暂列出该桥的前5阶自振频率及相应的振型特性(表1)。

表1　动力特性

2　反应谱的选择

考虑该桥梁所处不同地址，采用三种不同水平的抗震设计方法进行研究评价，此桥采用100年超越概率水平2 %(E1概率)、50年超越概率水平2 %(E2概率)和100年超越概率水平10 %(E3概率)三个概率水准进行计算，反应谱曲线如图2所示。选取顺桥方向和横桥方向的地震波相同，而选取竖向地震波幅值调整系数为0.60，该桥的阻尼比取0.05。分别计算了E1概率、E2概率和E3概率地震动在三种不同概率不同工况组合下作用下的大跨度斜拉桥地震响应。

图2　计算反应谱

3　计算结果及分析

计算中取前100阶振型进行叠加，竖向反应谱值取水平方向的0.60倍。对于三种概率水平均考虑两种激励模式，工况1：纵向+竖向，工况2：横向+竖向，分别计算各种工况对大跨度斜拉桥关键点的位移及主塔关键截面的内力影响。

表2～表4分别为E1、E2及E3概率水平下关键点的位移响应。主桥关键点位移在E1概率水平下最大，E2概率水平下次之，E3概率水平下最小。考虑纵向与竖向激励时，主桥的纵向位移响应显著，而横向位移与竖向位移几乎没有响应；考虑横向与竖向激励时，主桥的横向位移响应显著，而纵向位移与竖向位移响应相对较小。由于桥塔的横向刚度较大，塔顶的位移较主梁位移响应小。

表5～表7分别为E1、E2及E3概率水平下主塔关键截面的内力响应。主塔关键截面的内力在E1概率水平下最大，E2概率水平下次之，E3概率水平下最小。由于刚度的变化，塔与下横梁连接处的响应最大，与中横梁连接处的响应次之，与上横梁连接处响应更小，塔顶的响应最小。考虑纵向与竖向激励时，主塔弯矩主要表现为纵向弯矩，剪力主要表现为竖向剪力和纵向剪力；考虑横向与竖向激励时，主塔弯矩主要表现为竖向弯矩，剪力主要表现为横向剪力和纵向剪力，左塔与右塔的内力响应值相当，偏差在3 %左右。

表2　E1概率水平下关键点位移　m

表3　E2概率水平下关键点位移　m

表4　E3概率水平下关键点位移　m

表5　E1概率水平下主塔的内力

4　结论

(1)不同的反应谱曲线对大跨度斜拉桥的位移和内力均有不同的影响，在E1概率水平下最大，E2概率水平下次之，E3概率水平下最小，因此，抗震设计中根据桥址处的地质情况合理选用与之相符的设计反应谱曲线极为重要。

表6　E2概率水平下主塔的内力

表7　E3概率水平下主塔的内力

(2)由于主塔与下横梁、中横梁、上横梁的连接处，刚度变化比较大，受力比较复杂，内力在此都发生突变，所以塔与横梁连接处响应较大，这些部位是桥梁抗震方面的薄弱环节，应重视。

(3)工况1作用下，与E3概率水平下相比，E2和E1概率水平下主梁跨中的纵向位移分别增大了51 %和93 %，左塔塔顶的纵向位移分别增大49 %和91 %；工况2作用下，E2和E1概率水平下较E3概率水平下主梁跨中的横向位移分别增大了50 %和88 %，右塔塔顶的横向位移分别增大45 %和85 %。

(4)工况1作用下，与E3概率水平下相比，E2和E1概率水平下左塔与下横梁连接处的纵向弯矩分别增大了1.47倍和1.88倍，左塔与下横梁连接处的竖向剪力分别增大1.44倍和1.85倍；工况2作用下，E2和E1概率水平下较E3概率水平下右塔与下横梁连接处的竖向弯矩、纵向剪力均分别增大了1.46倍和1.84倍。

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刘兵(1979～)，男，大学本科，工程师，研究方向为桥梁施工组织。

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[定稿日期]2016-02-26