大跨度悬索桥地震响应分析

马凤杰，岳建彬，王皓磊

(1.广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530029；2.广西建设职业技术学院，广西 南宁 530003；3.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004)

大跨度悬索桥地震响应分析

马凤杰1，岳建彬2，王皓磊3

(1.广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530029；2.广西建设职业技术学院，广西 南宁 530003；3.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004)

文章以坭洲水道桥为工程背景，建立大跨度悬索桥的动力计算模型，对其动力特性进行了计算分析，并基于设计加速度反应谱和人工合成地震波，采用反应谱法和线性时程方法，探讨了大跨度悬索桥的地震响应特点，同时对悬索桥装置阻尼器的减震耗能作用进行了研究。

悬索桥；动力特性；反应谱；时程分析；粘滞阻尼器

0 引言

我国地震灾害频发，地震作为不可抗因素直接影响桥梁结构的安全；而作为生命线工程的大跨度悬索桥，因其位置特殊、战略意义重大、投资巨大，一旦在地震中遭到破坏，带来的损失将难以估量。因此，对大跨度悬索桥的地震响应特点进行研究，把握其规律，采取正确合理的地震保护系统，对确保悬索桥的安全性和经济性具有重要的现实意义。

本文以在建的虎门二桥工程坭洲水道桥为背景，建立起大跨度悬索桥的动力计算模型，分析其动力特性，探讨其在地震动作用下的响应特点，介绍悬索桥的地震保护装置并对其作用进行分析，为类似工程的建设提供相应参考。

1 工程概况

坭洲水道桥为双塔双跨悬索桥结构，主缆跨径(658+1 688+522)m；主缆采用高强镀铝锌钢丝，横向间距42.1 m，理论矢跨比1/9.5；加劲梁采用流线型扁平钢箱梁，长度为(548+1 688)m，梁高4 m，全宽49.7 m(含封嘴、检修道)，正交异性钢桥面系，顶板外侧重车道厚18 mm，内侧快车道厚16 mm；吊索采用预制平行钢丝，销接式结构，节间间距12.8 m；索塔为钢筋混凝土塔，门式框架结构，塔高260 m，两塔柱间设三道横梁；锚碇为空腹式重力锚，地下连续梁基础，索塔基础为D2.8m的钻孔灌注桩，西侧桩长88.5m，东侧桩长82.5m；桥址处为Ⅱ类场地，地震基本烈度为Ⅶ度。坭洲水道桥总体布置图如图1所示。

图1 坭洲水道桥总体布置图(单位：cm)

2 动力特性与地震动输入

采用大型有限元程序建立坭洲水道桥的动力计算模型，主缆和吊索采用索单元模拟，主塔、主梁、过渡墩、桩基础均采用梁单元模拟，考虑到加劲梁为闭口箱梁形式，其截面翘曲刚度相对于自由扭转可以忽略不计，因此计算模型中主梁采用脊梁模型，主梁和吊索用刚臂连接，桥面系采用质量单元模拟，考虑桩-土的相互作用，采用弹簧单元模拟土的刚度，弹簧单元刚度采用“m法”计算。模型边界条件为：主塔、过渡墩在桩底固结；边缆在锚固处固结；主塔顶和主缆为主从连接；支承处、索塔的横向、竖向线位移及其绕顺桥纵向的转角位移与加劲梁为主从连接。坭洲水道桥的动力计算模型如图2所示。

图2 坭洲水道桥动力计算模型图

根据坭洲水道桥的动力计算模型，采用Subspace求解器计算得到其特征值，悬索桥前10阶动力特性见表1，结构前5阶振型图见图3。

表1 坭洲水道桥的动力特性表

从表1和图3可知：坭洲水道桥基频为0.043Hz，自振周期较长，振型特点为主跨横向对称弯曲，符合大跨柔性结构的特点；1～5阶为主梁低阶振动，主梁振动较易实现，6～10阶为主梁高阶振动、主缆振动，主塔振动在低频段未出现，说明其具有足够的刚度。

根据坭洲水道桥的桥址场地特点及《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/TB02-01-2008)确定其地震反应谱特征参数，100年超越概率10%的地震作用时，水平设计加速度反应谱峰值Smax为0.34g，特征周期Tg为0.57s，结构阻尼比为0.05。坭洲水道桥的自振周期较长，抗震分析时反应谱的长周期段须涵盖桥梁的第一阶自振周期，因此将其加速度反应谱曲线偏保守的延长至30s。为得到与反应谱兼容的加速度时程，采用三角级数法进行合成，设计反应谱及合成反应谱曲线如图4所示，二者吻合良好，合成地震波时程曲线如图5所示。地震动输入分别采用纵向和横向的形式。

(a)第1阶振型，T=23.222 s

(b)第2阶振型，T=13.664 s

(c)第3阶振型，T=11.020 s

(d)第4阶振型，T=10.514 s

(e)第5阶振型，T=9.072 s

图4 水平设计加速度反应谱图

图5 合成地震波时程曲线图

3 地震响应分析

分别采用反应谱法和线性时程法计算得到坭洲水道桥的地震响应值，反应谱法分析时高阶阵型影响大，取前800阶振型，振型组合采用CQC法。纵向和横向地震作用下，坭洲水道桥N1主塔和加劲梁的弯矩峰值图如图6～7所示，图中x、y、z分别表示桥梁纵向、横向和竖向。

(a)N1#主塔弯矩峰值图

(b)加劲梁弯矩峰值图

(a)N1#主塔弯矩峰值图

(b)加劲梁弯矩峰值图

由图6可知，纵向地震作用下，主塔纵向弯矩塔底最大，塔高170m左右时形成另一较小峰值，整体呈反“S”形分布；加劲梁纵向弯矩较大峰值均出现在边跨，分布极为不均匀。由图7可知，横向地震作用下，主塔横向弯矩峰值沿塔高呈波浪形分布，塔底弯矩最大，加劲梁横向弯矩较大峰值出现在主跨中点处截面，横向地震作用下的主梁横向弯矩值是纵向地震作用下主梁纵向弯矩值的数倍，说明结构以横向受力为主。线性时程法的计算结果均小于反应谱法，且反映出一致的变化规律。

4 粘滞阻尼器减震作用分析

为降低地震发生时对桥梁结构的破坏，悬索桥可采用多种地震保护装置，如橡胶支座、摩擦摆、各种阻尼器、防屈曲支撑等。坭洲水道桥采用了粘滞阻尼器作为主要的地震保护系统，其参数为：速度指数α=0.3，阻尼系数C=6 000kN(s/m)0.3，阻尼力4 169kN，最大速度V=0.297m/s，本构关系F=CVα。利用前述的动力计算模型，对粘滞阻尼器的耗能作用进行分析，粘滞阻尼器用Maxwell模型模拟，输入地震动纵向时程曲线进行桥梁抗震计算，在有、无阻尼器装置两种工况时，加劲梁的纵向弯矩值对比如图8所示。由图8可以看出，粘滞阻尼器的减震耗能作用有效降低了加劲梁的弯矩峰值，特别是塔梁交接处截面的弯矩值，其减震效率达到了34%，这对结构受力是十分有利的。

图8 加劲梁弯矩峰值对比图

5 结语

本文以坭洲水道桥为背景，对超大跨度悬索桥的动力特性、地震响应进行了计算研究，探讨了悬索桥地震响应的特点，并对粘滞阻尼器的消能作用进行了对比分析，得到了如下一些结论：

(1)坭洲水道桥基频为0.043Hz，基本周期23.222s，自振周期较长，低阶振动以主梁振动为主，主塔具有较大刚度，其振动较难实现。

(2)纵向地震动作用下，主塔纵向弯矩呈反“S”形分布，加劲梁纵向弯矩峰值出现在边跨部分；横向地震动作用下，主塔横向弯矩呈波浪形分布，加劲梁横向弯矩值是纵向地震时的数倍，主梁结构以横向受力为主。

(3)粘滞阻尼器的设置能有效降低悬索桥加劲梁的弯矩峰值，起到减震耗能的作用，改善部分截面的受力状态，对结构是有利的。

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[5]王 倩.桥梁抗震粘滞阻尼器参数分析研究[D].西安：长安大学，2011.

Seismic Response Analysis of Large-span Suspension Bridge

MA Feng-jie1，YUE Jian-bin2，WANG Hao-lei3

(1.Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029；2.Guangxi Polytechnic of Construction，Nanning，Guangxi，530003；3.Central South University of Forestry and Technology，Changsha，Hunan，410004)

With Nizhou Channel Bridge as engineering background，this article established the momen-tum calculation model of large-span suspension bridges，calculated and analyzed its dynamic characteristics，and based on the design acceleration response spectra and synthetic seismic waves，it dis-cussed the seismic response characteristics of large-span suspension bridge by using the response spectrum method and linear time-history method，while it studied the energy-consuming and damping effect of suspension bridge damper.

Suspension bridge；Dynamic characteristics；Response spectrum；Time history analysis；Viscous damper

马凤杰(1980—)，工程师，主要从事桥梁隧道结构设计工作；岳建彬(1983—)，副教授，主要从事道路桥梁教学工作；王皓磊(1981—)，讲师，主要从事桥梁工程教学和科研工作。

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.07.012

1673-4874(2015)07-0049-04

2015-06-02