某大跨度斜拉橋抗震性能分析

李 成，劉向榮，施 飛

（中建三局基礎設施事業部，湖北武漢 430070）

0 前言

本文的研究對象為潤揚大橋北汊斜拉橋，該橋為三跨連續鋼箱梁斜拉橋,主跨位于R=50000 m的圓弧豎曲線上。主梁為全焊扁平流線型封閉鋼箱梁，其上翼緣為正交異性板結構。鋼箱梁高3 m(中心線處)，寬37.4 m（含風嘴）。索塔采用空間索面花瓶形混凝土結構，南塔高146.888 m，北塔高143.026 m,橋面以上塔高109.4 m，索塔均為群樁基礎。在索塔下橫梁上設置豎向支座，形成半漂浮體系。斜拉索采用空間雙索面平行鋼絞線拉索體系,梁段標準索距為15 m。該橋橋址處的地震基本烈度為Ⅶ度，場地類型為Ⅱ類[1]。

1 計算模型

在工程實際中一般采用空間有限元分析模型進行抗震計算分析，動力計算模型的模擬一般著重于結構的剛度、質量和邊界條件的模擬。本文利用Midas civil 2010有限元軟件建立計算模型。采用脊梁模式對主梁進行模擬，通過截面特性器采用薄壁線單元對薄壁鋼箱梁進行模擬。斜拉索采用桁架單元模擬，單元未進行彈性模量折減，直接作為線彈性單元處理。主塔采用三維梁單元進行模擬，采用矩形混凝土-鋼箱形組合截面對塔柱橫截面進行模擬。本橋的索塔基礎均為群樁基礎，考慮到群樁均嵌固在基巖中，在模型中未考慮樁長和樁-土-結構相互作用的影響，對基礎承臺進行固結處理。本橋采用彈性約束的半漂浮體系，采用彈性連接中的一般連接進行模擬，支座剛度根據支座參數進行合理選取[2]。

基于有限元理論及上述分析方法，采用Midas civil 2010建立潤揚大橋北汊斜拉橋三維動力計算有限元模型，見圖1。

2 動力特性分析

本文采用使用于大型對稱結構的Lanczos法[3]對上圖中的三維動力計算模型進行模態分析，并取前10階振型，所得到前10階振型的模態號、周期、頻率以及對其振型的特征描述見表1。前4階振型圖見圖2。

表1 潤揚大橋北汊斜拉橋自振頻率和振型特征表

通過對潤揚大橋北汊斜拉橋的前十階自振頻率及相應振型表和振型圖分析可以基本得出本斜拉橋動力特性特點：

（1）本橋基本周期較長，約為6.80 s，屬于長周期結構，一階振型為縱飄振型。

（2）本橋在塔梁交接處采用了彈性支承形成半漂浮體系，其明顯降低了第一階縱飄振型的自振周期，比較有效地控制了結構在地震作用下的順橋向位移。

（3）大跨度斜拉橋的一階對稱橫彎和一階對稱豎彎一般都比較靠前。

3 地震反應分析

地震反應分析中分別采用修正的規范反應譜法和動態時程分析法，并對結果進行對比分析，按照規范[4]采用三維組合地震波輸入并分三種工況進行分析：工況一、1.0順橋向+0.3橫橋向+0.3豎橋向；工況二、0.3順橋向+1.0橫橋向+0.3豎橋向；工況三、0.3順橋向+0.3橫橋向+1.0豎橋向。

3.1 反應譜分析

動力反應譜方法[5]利用地震荷載概念，通過求解地震動控制方程而得到結構的最大地震反應，在計算中考慮了地面運動加速度紀錄特征、結構振動周期以及阻尼比等動力特性，是目前橋梁結構抗震分析常用的一種方法。

本文根據橋址場地地震動參數對規范反應譜進行修正，得到水平設計加速度反應譜曲線（見圖3），豎向設計加速度反應譜可以由水平向設計加速度反應譜乘以譜比函數0.65確定，對于多維地震動輸入下采用SRSS法進行組合。三維地震動組合作用下反應譜分析的位移響應峰值和內力響應最大值見表2、表3。

表2 三維地震動組合作用下反應譜分析的位移響應峰值表（單位：cm）

表3 三維地震動組合輸入下反應譜分析的內力響應最大值

3.2 動態時程分析

在采用動態時程分析法對橋梁結構進行抗震響應反應分析時，需要選擇合適的地震時程加速度進行輸入，時程加速度選擇時要充分考慮橋址場地特征條件。考慮到目前大多數實際工程中橋址擬建場地并無實際地震記錄，所以只能選擇與擬建場地同類地質條件下記錄到的地震波進行計算分析[6]。

本文在對潤揚大橋北汊斜拉橋地震反應時程響應分析時，采用進行強度和周期修正的埃爾森特羅波（EI-Centro）進行抗震動力分析，并考慮地震紀錄時間為40 s，地震加速度時程輸入時采用直接加速度法（DAM）。

修正后EI-Centro-h波 順橋向輸入見圖4。三維地震波(EI波)一致激勵輸入下結構位移響應峰值見表4。三維地震波(EI波)輸入下結構內力響應最大值見表5。

表4 三維地震波(EI波)一致激勵輸入下結構位移響應峰值表（單位：cm）

表5 三維地震波(EI波)輸入下結構內力響應最大值

3.3 規范反應譜分析與時程分析結果對比

對反應譜三維組合分析和三維EI波時程分析時的控制截面位移和內力峰值進行簡單的比較分析。

（1）對比時程分析和反應譜分析的位移峰值，主梁的橫向位移峰值在時程分析時為18.39 cm略大于反應譜分析中的13.1 cm，但是主梁的縱向位移和豎向位移結果反應譜分析中偏大；索塔塔頂的時程分析縱向位移12.34 cm則是小于反應譜分析的21.1 cm，索塔塔頂的橫向位移和豎向位移在兩種情況下結果近似相同。

（2）對結構主要控制截面在反應譜和時程兩種分析時的內力峰值進行對比可以得出：主梁、索塔以及索塔基礎承臺的軸力均是在反應譜分析時值較大；同時通過對比可以發現，在時程分析時，主梁的豎向彎矩和橫向彎矩均有不同程度的增大，索塔和索塔基礎承臺的豎向彎矩均是時程分析時取得較大值，但是橫向彎矩則是在反應譜分析時值較大。

4 結論

（1）塔頂的縱向和橫向位移,主梁的豎向彎曲是在抗震設計中應該注意的地震響應。

（2）反應譜法和時程分析法對潤揚大橋北汊斜拉橋進行地震反應分析結果基本一致,說明計算結果能夠反應實際地震作用下的結構響應。

（3）通過對截面內力值的比較分析可以看出，在對大跨度斜拉橋進行抗震性能分析時，僅僅對橋梁結構選擇規范反應譜進行動力響應分析是不夠的，還需要進行動態時程分析，結合二者的數據作為設計依據。

（4）鑒于該橋的重要性，在進行抗震驗算外，還應重視抗震概念設計，采取局部構造措施，滿足規范中設防原則。

[1]狄息生,倪國華,陳曰友.鎮江市工程地質條件與地震動分區[J].工程抗震,2002(2):10.

[2]邢月英.JT/T 391-2009公路橋梁盆式支座標準介紹[J].公路,2009(8):294-299.

[3]胡世德,范立礎.斜拉橋動力計算有限元模式的討論[J].同濟大學學報,1991增刊-結構（橋梁版）.

[4]公路橋梁抗震設計細則[S].北京:人民交通出版社,2008.

[5]李國豪.橋梁結構穩定與振動[M].北京:中國鐵道出版社,1992.

[6]葉愛君.大跨度橋梁抗震設計[D].上海:同濟大學,1998.