三塔懸索橋的結構體系以及抗震性能的論述

周志強

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

懸索橋是由主纜、加勁梁、主塔、鞍座、錨碇、吊索等構件構成的柔性懸吊組合體系，具有兩大優點：跨度大，經濟性能良好，其中主纜是承受張力的主要構建，主塔主要功能是承載豎向荷載，橋梁結構體系決定了其動力反應規律。經過多年的發展，我國已經建立起多座大跨度三塔懸索橋，比如馬鞍山長江公路大橋、泰州長江公路大橋等等，為我國經濟發展提供了足夠的動力[1]。筆者根據多年的工作經驗，結合具體的工程實例，采用有限元軟件對懸索橋進行建模分析，分析了4種結構體系的優缺點，然后采用反應譜和時程分析法對該橋的動力特性及地震反應進行了分析，具有一定的現實意義和參考價值。

1 工程概述

某大橋采用三塔懸索橋結構體系，主橋橋跨結構布置(380+1 080+1 080+420)m的雙主跨三塔懸索橋。橋面設置六車道，兩根主纜之間橫向間距35.8 m，橋狀態矢跨比為1∶9，加勁梁采用封閉式流線型扁平鋼箱梁，其中邊塔和中塔參數如表1所示。

表1 邊塔和中塔參數一覽表 m

橫向為門式框架結構，縱向為人字形，索塔內側壁和主梁之間安裝橫向抗風支座，縱向設置彈性索。三塔懸索橋總體布置圖如圖1所示。

圖1 三塔懸索橋總體布置圖（單位：m）

2 結構動力分析模型建立

三塔懸索橋主要在兩塔懸索橋主跨的中部支起一個橋塔，可以大大減小主纜和兩端錨碇受力，所以三塔懸索橋的結構設計要解決3個問題：中塔頂鞍槽內主纜的抗滑穩定、全橋結構剛度、中塔的強度。本工程采用脊梁模式，對橋梁建模時將梁剛度和質量集中在單元節點上，節點和繩索之間采用剛性連接，連接剛度為6.4×105kN/m，采用有限元軟件Midas進行計算分析，主梁、主塔、橋墩都用空間梁單元模擬，三維有限元模型圖如圖2所示。

圖2 大橋三維有限元模型圖

3 三塔懸索橋結構體系分析

三塔懸索橋的結構體系包括4種：塔梁固結結構、支座約束結構、半飄浮結構和全飄浮結構，三塔懸索橋主要分析中塔頂鞍槽內主纜的抗滑穩定、全橋結構剛度、中塔強度、加勁梁受力、主纜受力、吊索受力、彈性索受力以及支座反力等結構變形與內力。

3.1 中塔頂鞍槽內主纜的抗滑穩定

中塔頂鞍槽內主纜的抗滑穩定是主要解決的問題之一，懸索橋一主跨滿載，另一主跨空載會造成兩側主纜纜力差值過大，導致抗滑安全系數過小，常規安全系數一般在2.0以上才能保證橋梁的安全性和可靠性。提高鞍槽內主纜抗滑安全系數，就應該減少鞍座兩側纜力差值。以主跨八車道滿載，另一主跨空載，進行模擬試驗可得表2。

表2 中塔頂鞍槽內主纜抗滑試驗

如表2所示，塔梁固結的安全系數為2.555，最高，支座約束安全系數，其次，為2.151，也能滿足安全要求，半飄浮安全系數為2.220，大于2.0，只有飄浮結構體系的安全系數小于1.876，不能滿足要求[2]。

3.2 全橋結構剛度

三塔懸索橋全橋結構剛度和常規橋體比較要小得多，所以應該加強全橋結構剛度設計，將加勁梁活載撓跨比和活載梁端豎彎轉角控制在一定范圍內，滿足行車舒適度的要求。通常情況下，撓度比應該不大于1∶250，加勁梁變形及全橋結構剛度實驗結果如表3所示。

表3 加勁梁變形及全橋結構剛度一覽表

如表3所示，塔梁固結結構在最大撓度最小，撓跨比（1∶290）最小，最大上拱最小，梁端轉角和兩端上坡都是最小的，其性能最好，將加勁梁活載撓跨比和活載梁端豎彎轉角都控制在了一定范圍內，滿足要求。

3.3 中塔強度

三塔懸索橋獨特的力學特性使得中塔受力較為不利，當懸索橋一主跨滿載，另一主跨空載會使得中塔成為大偏心受力構件[3]，由于本工程橋梁上段為鋼結構，下段為預應力混凝土結構，所以其中塔強度試驗如表4所示。

表4 中塔強度

鋼結構容許應力為240 MPa，從表4可以看出只有塔梁固架結構能夠滿足應力要求，最大應力為231 MPa，滿足實際要求，其他集中結構體系都很難滿足實際設計要求。

3.4 結論分析

塔梁固結結構體系抗滑安全系數最高，結構剛度最大，中塔鋼結構段應力在容許范圍內，抗風與抗震性能優于飄浮體系，不需要設置支座。

4 三塔懸索橋地震反應分析

通過結構體系分析，可知道本工程采用塔梁固結結構體系。根據《公路橋梁抗震設計細則》擬建大橋及控制性構筑物宜按地震基本烈度提高一度，采取Ⅶ度設防，本工程震動加速度峰值取為0.2g。

4.1 地震輸入

本工程采用反應譜和線性時程分析法，進行了地震反應分析，地震模擬圖如圖3所示。

圖3 地震輸入模擬圖

地震波形如同信號中的白噪聲，豎向地震動加速度反應譜值取水平地震動加速度反應譜值的65%，定量分析時，采用一致地震動，輸入方式直接在基底輸入地震波。

4.2 水平地震作用下反應特點

在縱向地震輸入的作用下，振型組合采用CQC方法，取前600階振型，對邊塔、中塔和主梁位移進行測定，如圖4所示。

圖4 橫向地震作用下結構的位移圖

如圖4所示，在橫向地震作用下，邊塔、中塔和主梁均有所位移，主要表現為橫向位移，其中邊塔和中塔位移和塔高呈線性相關關系，邊塔和中塔最大位移出現在塔尖，主纜對塔體橫向約束力較小，應該注重主塔和衡量之間的連接。主梁在縱向地震作用下，呈現一種“M”形狀[4]。

4.3 縱向地震作用下反應特點

在縱向地震輸入的作用下，振型組合采用CQC方法，取前600階振型，對邊塔、中塔和主梁位移進行測定，如圖5所示。

圖5 縱向地震作用下結構的位移圖

如圖5所示，在縱向地震作用下，邊塔、中塔和主梁均有所位移，主要表現為縱向位移，從圖5a中可以看出，中塔位移和塔高呈線性相關關系，隨著塔高的不斷增加，位移不斷增加。邊塔位移和高度呈非線性關系，在2/3處達到最大位移，說明主纜對邊塔的影響比較大。由于塔面呈現上小下大的結構，所以邊塔在2/3處容易成為抗震薄弱的地方。主梁在縱向地震作用下，呈現一種“V”形狀，所以主梁位置的選擇十分重要。

4.4 注意事項

經過以上分析，抗震設計過程中過分重視橫向和縱向地震影響，但是由于忽視了豎向地震動對主梁的彎矩和邊塔塔底動軸力的作用，豎向地震動往往不控制抗震設計而經常不被重視，所以應當重視豎向地震動對結構抗震性能的影響。

5 結語

本文通過某一具體實例，結合具體工程，對三塔懸索橋進行了建模分析，然后具體講述了結構體系選擇和對抗震性能進行了分析，具有重要的現實意義。