大跨度懸索橋地震響應分析

馬鳳杰，岳建彬，王皓磊

(1.廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院，廣西 南寧 530029；2.廣西建設職業技術學院，廣西 南寧 530003；3.中南林業科技大學，湖南 長沙 410004)

大跨度懸索橋地震響應分析

馬鳳杰1，岳建彬2，王皓磊3

(1.廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院，廣西 南寧 530029；2.廣西建設職業技術學院，廣西 南寧 530003；3.中南林業科技大學，湖南 長沙 410004)

文章以坭洲水道橋為工程背景，建立大跨度懸索橋的動力計算模型，對其動力特性進行了計算分析，并基于設計加速度反應譜和人工合成地震波，采用反應譜法和線性時程方法，探討了大跨度懸索橋的地震響應特點，同時對懸索橋裝置阻尼器的減震耗能作用進行了研究。

懸索橋；動力特性；反應譜；時程分析；粘滯阻尼器

0 引言

我國地震災害頻發，地震作為不可抗因素直接影響橋梁結構的安全；而作為生命線工程的大跨度懸索橋，因其位置特殊、戰略意義重大、投資巨大，一旦在地震中遭到破壞，帶來的損失將難以估量。因此，對大跨度懸索橋的地震響應特點進行研究，把握其規律，采取正確合理的地震保護系統，對確保懸索橋的安全性和經濟性具有重要的現實意義。

本文以在建的虎門二橋工程坭洲水道橋為背景，建立起大跨度懸索橋的動力計算模型，分析其動力特性，探討其在地震動作用下的響應特點，介紹懸索橋的地震保護裝置并對其作用進行分析，為類似工程的建設提供相應參考。

1 工程概況

坭洲水道橋為雙塔雙跨懸索橋結構，主纜跨徑(658+1 688+522)m；主纜采用高強鍍鋁鋅鋼絲，橫向間距42.1 m，理論矢跨比1/9.5；加勁梁采用流線型扁平鋼箱梁，長度為(548+1 688)m，梁高4 m，全寬49.7 m(含封嘴、檢修道)，正交異性鋼橋面系，頂板外側重車道厚18 mm，內側快車道厚16 mm；吊索采用預制平行鋼絲，銷接式結構，節間間距12.8 m；索塔為鋼筋混凝土塔，門式框架結構，塔高260 m，兩塔柱間設三道橫梁；錨碇為空腹式重力錨，地下連續梁基礎，索塔基礎為D2.8m的鉆孔灌注樁，西側樁長88.5m，東側樁長82.5m；橋址處為Ⅱ類場地，地震基本烈度為Ⅶ度。坭洲水道橋總體布置圖如圖1所示。

圖1 坭洲水道橋總體布置圖(單位：cm)

2 動力特性與地震動輸入

采用大型有限元程序建立坭洲水道橋的動力計算模型，主纜和吊索采用索單元模擬，主塔、主梁、過渡墩、樁基礎均采用梁單元模擬，考慮到加勁梁為閉口箱梁形式，其截面翹曲剛度相對于自由扭轉可以忽略不計，因此計算模型中主梁采用脊梁模型，主梁和吊索用剛臂連接，橋面系采用質量單元模擬，考慮樁-土的相互作用，采用彈簧單元模擬土的剛度，彈簧單元剛度采用“m法”計算。模型邊界條件為：主塔、過渡墩在樁底固結；邊纜在錨固處固結；主塔頂和主纜為主從連接；支承處、索塔的橫向、豎向線位移及其繞順橋縱向的轉角位移與加勁梁為主從連接。坭洲水道橋的動力計算模型如圖2所示。

圖2 坭洲水道橋動力計算模型圖

根據坭洲水道橋的動力計算模型，采用Subspace求解器計算得到其特征值，懸索橋前10階動力特性見表1，結構前5階振型圖見圖3。

表1 坭洲水道橋的動力特性表

從表1和圖3可知：坭洲水道橋基頻為0.043Hz，自振周期較長，振型特點為主跨橫向對稱彎曲，符合大跨柔性結構的特點；1～5階為主梁低階振動，主梁振動較易實現，6～10階為主梁高階振動、主纜振動，主塔振動在低頻段未出現，說明其具有足夠的剛度。

根據坭洲水道橋的橋址場地特點及《公路橋梁抗震設計細則》(JTG/TB02-01-2008)確定其地震反應譜特征參數，100年超越概率10%的地震作用時，水平設計加速度反應譜峰值Smax為0.34g，特征周期Tg為0.57s，結構阻尼比為0.05。坭洲水道橋的自振周期較長，抗震分析時反應譜的長周期段須涵蓋橋梁的第一階自振周期，因此將其加速度反應譜曲線偏保守的延長至30s。為得到與反應譜兼容的加速度時程，采用三角級數法進行合成，設計反應譜及合成反應譜曲線如圖4所示，二者吻合良好，合成地震波時程曲線如圖5所示。地震動輸入分別采用縱向和橫向的形式。

(a)第1階振型，T=23.222 s

(b)第2階振型，T=13.664 s

(c)第3階振型，T=11.020 s

(d)第4階振型，T=10.514 s

(e)第5階振型，T=9.072 s

圖4 水平設計加速度反應譜圖

圖5 合成地震波時程曲線圖

3 地震響應分析

分別采用反應譜法和線性時程法計算得到坭洲水道橋的地震響應值，反應譜法分析時高階陣型影響大，取前800階振型，振型組合采用CQC法。縱向和橫向地震作用下，坭洲水道橋N1主塔和加勁梁的彎矩峰值圖如圖6～7所示，圖中x、y、z分別表示橋梁縱向、橫向和豎向。

(a)N1#主塔彎矩峰值圖

(b)加勁梁彎矩峰值圖

(a)N1#主塔彎矩峰值圖

(b)加勁梁彎矩峰值圖

由圖6可知，縱向地震作用下，主塔縱向彎矩塔底最大，塔高170m左右時形成另一較小峰值，整體呈反“S”形分布；加勁梁縱向彎矩較大峰值均出現在邊跨，分布極為不均勻。由圖7可知，橫向地震作用下，主塔橫向彎矩峰值沿塔高呈波浪形分布，塔底彎矩最大，加勁梁橫向彎矩較大峰值出現在主跨中點處截面，橫向地震作用下的主梁橫向彎矩值是縱向地震作用下主梁縱向彎矩值的數倍，說明結構以橫向受力為主。線性時程法的計算結果均小于反應譜法，且反映出一致的變化規律。

4 粘滯阻尼器減震作用分析

為降低地震發生時對橋梁結構的破壞，懸索橋可采用多種地震保護裝置，如橡膠支座、摩擦擺、各種阻尼器、防屈曲支撐等。坭洲水道橋采用了粘滯阻尼器作為主要的地震保護系統，其參數為：速度指數α=0.3，阻尼系數C=6 000kN(s/m)0.3，阻尼力4 169kN，最大速度V=0.297m/s，本構關系F=CVα。利用前述的動力計算模型，對粘滯阻尼器的耗能作用進行分析，粘滯阻尼器用Maxwell模型模擬，輸入地震動縱向時程曲線進行橋梁抗震計算，在有、無阻尼器裝置兩種工況時，加勁梁的縱向彎矩值對比如圖8所示。由圖8可以看出，粘滯阻尼器的減震耗能作用有效降低了加勁梁的彎矩峰值，特別是塔梁交接處截面的彎矩值，其減震效率達到了34%，這對結構受力是十分有利的。

圖8 加勁梁彎矩峰值對比圖

5 結語

本文以坭洲水道橋為背景，對超大跨度懸索橋的動力特性、地震響應進行了計算研究，探討了懸索橋地震響應的特點，并對粘滯阻尼器的消能作用進行了對比分析，得到了如下一些結論：

(1)坭洲水道橋基頻為0.043Hz，基本周期23.222s，自振周期較長，低階振動以主梁振動為主，主塔具有較大剛度，其振動較難實現。

(2)縱向地震動作用下，主塔縱向彎矩呈反“S”形分布，加勁梁縱向彎矩峰值出現在邊跨部分；橫向地震動作用下，主塔橫向彎矩呈波浪形分布，加勁梁橫向彎矩值是縱向地震時的數倍，主梁結構以橫向受力為主。

(3)粘滯阻尼器的設置能有效降低懸索橋加勁梁的彎矩峰值，起到減震耗能的作用，改善部分截面的受力狀態，對結構是有利的。

[1]范立礎.橋梁抗震[M].上海：同濟大學出版社，1996.

[2]范立礎，王志強.橋梁減隔震設計[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]康斯坦丁諾.橋梁地震保護系統[M].北京：中國鐵道出版社，2012.

[4]豐 碩，項貽強，謝 旭.超大跨度懸索橋的動力特性及地震反應分析[J].公路交通科技，2005，8(22)：31-35.

[5]王 倩.橋梁抗震粘滯阻尼器參數分析研究[D].西安：長安大學，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

馬鳳杰(1980—)，工程師，主要從事橋梁隧道結構設計工作；岳建彬(1983—)，副教授，主要從事道路橋梁教學工作；王皓磊(1981—)，講師，主要從事橋梁工程教學和科研工作。

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.07.012

1673-4874(2015)07-0049-04

2015-06-02