大跨度雙塔雙索面斜拉橋動力響應分析

翁雪峰, 章新雨

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

[定稿日期]2017-08-29

斜拉橋是一種由塔、梁、索三種基本構件組成的組合橋梁結構體系。作為一種拉索支撐體系，斜拉橋比梁式橋有更大的跨越能力，而在技術方案合理的跨徑范圍內，斜拉橋比懸索橋具有更好的經濟性，線條纖秀，構造簡潔，橋型優美。因此，盡管斜拉橋的出現歷史較晚，但發展極為迅速，不到半個世紀就已經普及到世界各地。斜拉橋在我國也得到了很多應用，關于斜拉橋的成橋狀態，以及其在自重、車載、地震作用下的結構分析，也受到了更多的關注[2]。特別是對雙塔雙索面斜拉橋安全運營評價還需要進一步研究，基于此，文章以某雙塔雙索面斜拉橋為例，利用大型有限元分析軟件ANSYS，完成雙塔三跨斜拉橋模型的建立，并分析其在自重、車輛活載、地震作用下的力學效應。

1 工程概況

文章所研究的橋梁為主橋長404 m的雙塔雙索面斜拉橋，跨徑布置為105 m+194 m+105 m，索塔高度50 m，橋面寬度24 m，跨徑布置如圖1所示，主梁截面如圖2所示。

圖1 跨徑布置示意(單位:m)

圖2 箱梁截面示意(單位:m)

該斜拉橋選用雙索面扇形布置形式，且為平行鋼絲體系，其設計抗拉強度為1 670 MPa。

2 有限元模型的建立與分析

2.1 模型參數

文章運用限元軟件ANSYS建立了三維有限元模型，主梁用空間梁單元Beam4模擬，橋塔用空間變截面梁單元Beam44模擬，斜拉索用空間桿單元Link10模擬，橋上的二期恒載用Mass21來模擬。

在建模過程中，斜拉橋的橋臺、橋墩與地基之間采用固結模擬，拉索與主體之間采用剛性約束，斜拉橋的主梁和主塔的連接處用鉸支座模擬。

該公路斜拉橋建模所采用的單元類型、主要參數列表及邊界約束條件分別如表1～表3所示。

表1 單元類型參數

表2 材料參數

表3 結構構造尺寸參數

注：x為順橋向，y為豎橋向，z為橫橋向。

建立的三維有限元模型如圖3所示。

圖3 結構有限元模型示意

2.2 荷載效應

(1)該大橋主要技術標準：設計汽車荷載等級為公路-I級，設計車速為80 km/h。

(2)恒載效應主要考慮橋梁結構的自重以及二期恒載、拉索張力和預應力荷載。

(3)地震分析采用動態時程分析法[3]，本文地震波取天津波，利用地震時程相位差及不同地震多量多點輸入模擬地震效果。表4給出部分加速度數據[4]。

表4 部分地震波加速度數據

2.3 荷載形式的影響

2.3.1 固有頻率計算

通過在ANSYS中對該橋梁結構的有限元模型進行動力特性計算，可得到模型的固有頻率及振型。表5列出了由ANSYS程序計算所得該公路斜拉橋成橋狀態前10階的固有頻率及相應的振型特點。

2.3.2 自重作用下的位移

通過調整索力，使全橋在自重作用下符合成橋狀態，并進行自重作用下的變形和應力分析(圖4、圖5)。

圖4 自重作用下的變形

階次頻率/Hz振型特點10．39430主梁一階豎向正對稱彎曲20．60604主梁一階橫向反對稱彎曲30．76232主梁一階豎向反對稱彎曲40．76237右塔橫向彎曲50．76986左塔橫向彎曲60．83702主梁二階豎向反對稱彎曲、整體縱向彎曲70．87002主梁二階豎向正對稱彎曲80．96386主梁一階扭轉正對稱彎曲91．0110主梁一階扭轉反對稱彎曲101．1249整體縱向彎曲

圖5 自重作用下的應力分布

從圖4、圖5可以看出，自重作用下，豎向最大變形為0.0729 m，發生在跨中。最大應力為0.68 MPa，發生在跨中截面處，滿足混凝土主梁最大豎向撓度不應大于L/500。斜拉橋的跨中撓度為正值，說明主梁在自重、二期恒戴作用下，梁體同時受到拉索索力、預應力共同作用，使得梁體跨中上拱，說明該斜拉橋在成橋時，具有一定的上拱度，這與該橋實際情況相符[5]。

2.3.3 移動荷載作用下的瞬態動力特性

車輛在橋上運行時會造成橋梁振動，同時橋梁對車輛也有作用[5]。當車輛以80 km/h運行時，主梁跨中振動變化如圖6、圖7所示。

圖6 移動荷載作用下跨中撓度時程曲線

圖7 移動荷載作用下跨中撓度速度時程曲線

當車輛在橋上運行時，跨中截面的撓度不斷的發生著變化，當運行至跨中時，豎向撓度達到最大，在成橋的基礎上，下降了0.005 m。

2.3.4 地震作用下主梁振動變化

該地區地震波取天津波，以加速度的模擬方式輸入，跨中截面與塔頂的振動情況如圖8～圖11所示。

圖8 地震作用下跨中截面豎向的振動時程曲線

圖9 地震作用下跨中截面縱橋向的振動時程曲線

由圖8～圖11可以看出，地震波的作用下，主梁跨中截面縱橋向振動不激烈，但主梁跨中截面豎向發生劇烈振動，最大振動2.186 m，橋面已經損壞。對橋塔頂部，橫橋向振動不激烈，但縱橋向劇烈振動，最大振動0.875 m。

3 結論

(1)計算過程中發現，主梁在自重、二期恒載、拉索索力、預應力共同作用，梁體跨中上拱，在成橋時，具有一定的上拱度。

(2)當有汽車荷載作用在橋上，二者會發生耦合作用，當行車至中跨跨中時，震動最強，造成的豎向撓度最大。當列車運行至中跨跨中時，造成的震動最為激烈。

圖10 地震作用下塔頂縱橋向的振動時程曲線

圖11 地震作用下塔頂橫橋向的振動時程曲線

(3)斜拉橋是拉索支撐體系，當發生地震時，塔頂和主梁會發生劇烈振動，使拉索斷裂或者拉索索力失效，從而造成主梁或主塔的斷裂。

(4)我國西南地區屬于地震多發地帶，在車輛荷載、風荷載的共時作用下，帶來的破壞更大，所以設計時對大跨徑的斜拉橋進行必要的抗震等動力響應分析是非常必要的。

[1] 陳秉玲. 國內外大跨徑橋梁發展概況[J]. 城市道橋與防洪，1997(2):33-40.

[2] 范立礎. 橋梁工程：上冊[M].北京：人民交通出版社，2001

[3] 劉豐. 大跨度橋梁抗震分析中的有限元方法[J]. 中國科技信息， 2007(19):46-47.

[4] 周建春， 劉光棟. 大跨度公路橋梁抗震分析研究[J]. 橋梁建設，1998(1):5-9.

[5] 李小珍，蔡婧，強士中. 蕪湖長江大橋斜拉橋的車橋耦合振動分析[J]. 鐵道學報，2001，23(2):70-75.