三塔懸索橋的結(jié)構(gòu)體系以及抗震性能的論述

周志強(qiáng)

（山西省交通科學(xué)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(gòu)件構(gòu)成的柔性懸吊組合體系，具有兩大優(yōu)點：跨度大，經(jīng)濟(jì)性能良好，其中主纜是承受張力的主要構(gòu)建，主塔主要功能是承載豎向荷載，橋梁結(jié)構(gòu)體系決定了其動力反應(yīng)規(guī)律。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國已經(jīng)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(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了足夠的動力[1]。筆者根據(jù)多年的工作經(jīng)驗，結(jié)合具體的工程實例，采用有限元軟件對懸索橋進(jìn)行建模分析，分析了4種結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)缺點，然后采用反應(yīng)譜和時程分析法對該橋的動力特性及地震反應(yīng)進(jìn)行了分析，具有一定的現(xiàn)實意義和參考價值。

1 工程概述

某大橋采用三塔懸索橋結(jié)構(gòu)體系，主橋橋跨結(jié)構(gòu)布置(380+1 080+1 080+420)m的雙主跨三塔懸索橋。橋面設(shè)置六車道，兩根主纜之間橫向間距35.8 m，橋狀態(tài)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(shù)如表1所示。

表1 邊塔和中塔參數(shù)一覽表 m

橫向為門式框架結(jié)構(gòu)，縱向為人字形，索塔內(nèi)側(cè)壁和主梁之間安裝橫向抗風(fēng)支座，縱向設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計要解決3個問題：中塔頂鞍槽內(nèi)主纜的抗滑穩(wěn)定、全橋結(jié)構(gòu)剛度、中塔的強(qiáng)度。本工程采用脊梁模式，對橋梁建模時將梁剛度和質(zhì)量集中在單元節(jié)點上，節(jié)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(jìn)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(jié)構(gòu)體系分析

三塔懸索橋的結(jié)構(gòu)體系包括4種：塔梁固結(jié)結(jié)構(gòu)、支座約束結(jié)構(gòu)、半飄浮結(jié)構(gòu)和全飄浮結(jié)構(gòu)，三塔懸索橋主要分析中塔頂鞍槽內(nèi)主纜的抗滑穩(wěn)定、全橋結(jié)構(gòu)剛度、中塔強(qiáng)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(jié)構(gòu)變形與內(nèi)力。

3.1 中塔頂鞍槽內(nèi)主纜的抗滑穩(wěn)定

中塔頂鞍槽內(nèi)主纜的抗滑穩(wěn)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(cè)主纜纜力差值過大，導(dǎo)致抗滑安全系數(shù)過小，常規(guī)安全系數(shù)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(nèi)主纜抗滑安全系數(shù)，就應(yīng)該減少鞍座兩側(cè)纜力差值。以主跨八車道滿載，另一主跨空載，進(jìn)行模擬試驗可得表2。

表2 中塔頂鞍槽內(nèi)主纜抗滑試驗

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

3.2 全橋結(jié)構(gòu)剛度

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

表3 加勁梁變形及全橋結(jié)構(gòu)剛度一覽表

如表3所示，塔梁固結(jié)結(jié)構(gòu)在最大撓度最小，撓跨比（1∶290）最小，最大上拱最小，梁端轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角都控制在了一定范圍內(nèi)，滿足要求。

3.3 中塔強(qiáng)度

三塔懸索橋獨特的力學(xué)特性使得中塔受力較為不利，當(dāng)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(gòu)件[3]，由于本工程橋梁上段為鋼結(jié)構(gòu)，下段為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，所以其中塔強(qiáng)度試驗如表4所示。

表4 中塔強(qiáng)度

鋼結(jié)構(gòu)容許應(yīng)力為240 MPa，從表4可以看出只有塔梁固架結(jié)構(gòu)能夠滿足應(yīng)力要求，最大應(yīng)力為231 MPa，滿足實際要求，其他集中結(jié)構(gòu)體系都很難滿足實際設(shè)計要求。

3.4 結(jié)論分析

塔梁固結(jié)結(jié)構(gòu)體系抗滑安全系數(shù)最高，結(jié)構(gòu)剛度最大，中塔鋼結(jié)構(gòu)段應(yīng)力在容許范圍內(nèi)，抗風(fēng)與抗震性能優(yōu)于飄浮體系，不需要設(shè)置支座。

4 三塔懸索橋地震反應(yīng)分析

通過結(jié)構(gòu)體系分析，可知道本工程采用塔梁固結(jié)結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》擬建大橋及控制性構(gòu)筑物宜按地震基本烈度提高一度，采取Ⅶ度設(shè)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(yīng)譜和線性時程分析法，進(jìn)行了地震反應(yīng)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(yīng)譜值取水平地震動加速度反應(yīng)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(yīng)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(jìn)行測定，如圖4所示。

圖4 橫向地震作用下結(jié)構(gòu)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(xiàn)為橫向位移，其中邊塔和中塔位移和塔高呈線性相關(guān)關(guān)系，邊塔和中塔最大位移出現(xiàn)在塔尖，主纜對塔體橫向約束力較小，應(yīng)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(xiàn)一種“M”形狀[4]。

4.3 縱向地震作用下反應(yīng)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(jìn)行測定，如圖5所示。

圖5 縱向地震作用下結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(guān)關(guān)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(guān)系，在2/3處達(dá)到最大位移，說明主纜對邊塔的影響比較大。由于塔面呈現(xiàn)上小下大的結(jié)構(gòu)，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(xiàn)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(jīng)過以上分析，抗震設(shè)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(shè)計而經(jīng)常不被重視，所以應(yīng)當(dāng)重視豎向地震動對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

5 結(jié)語

本文通過某一具體實例，結(jié)合具體工程，對三塔懸索橋進(jìn)行了建模分析，然后具體講述了結(jié)構(gòu)體系選擇和對抗震性能進(jìn)行了分析，具有重要的現(xiàn)實意義。