非對(duì)稱混合梁斜拉橋行波效應(yīng)和余震響應(yīng)分析

宋 杰

（廣州攬睿路橋設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510520）

0 引言

隨著中國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施的蓬勃發(fā)展，大跨度混合梁斜拉橋的抗震設(shè)計(jì)工作逐步體現(xiàn)出重要性[1-3]。大跨度混合梁橋的地震反應(yīng)比較復(fù)雜，地震響應(yīng)不僅受到輸入地震動(dòng)參數(shù)影響，還受橋梁結(jié)構(gòu)型式制約。國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者Yamamura和Hiroshi Tanaka[4]，史志利[5]、龍曉鴻[6]、范立礎(chǔ)[7-8]等學(xué)者研究了大跨度斜拉橋在多點(diǎn)激勵(lì)下的地震響應(yīng)和行波效應(yīng)。基于大跨度斜拉橋非一致性激勵(lì)問(wèn)題的復(fù)雜性，抗震分析過(guò)程中必須重點(diǎn)研究慮[9-11]。

1 研究?jī)?nèi)容

吉林省四平市165 m+45 m+45 m非對(duì)稱混合梁斜拉橋[12-15]具有跨度大、混合主梁、主塔高、結(jié)構(gòu)非對(duì)稱等特點(diǎn)，研究其抗震性能比較有代表性。本文以該橋?yàn)楣こ瘫尘埃谟邢拊治隼碚摰幕A(chǔ)上，采用有限元分析軟件建立MIDAS CIVIL三維模型，計(jì)算分析行波效應(yīng)及余震作用對(duì)大跨度混合梁斜拉橋受力狀態(tài)的影響。

2 主橋設(shè)計(jì)

2.1 主橋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

（1）橋梁設(shè)計(jì)荷載：城A級(jí)（1.3倍）；

（2）道路等級(jí)：城市主干道；

（3）設(shè)計(jì)車速：50 km/h；

（4）橋梁安全等級(jí)：一級(jí)；

（5）抗震設(shè)計(jì)：抗震設(shè)防烈度Ⅵ度，地震加速度0.05g。

2.2 結(jié)構(gòu)體系

本橋?yàn)榭鐝讲贾?65 m+45 m+45 m的獨(dú)塔單索面非對(duì)稱斜拉橋，橋長(zhǎng)255 m。采用轉(zhuǎn)體施工法。整幅橋梁梁體全寬32.6 m。

主橋采用塔-梁-墩固結(jié)體系，主塔高90 m，主墩高21 m。主塔采用混凝土結(jié)構(gòu)。斜拉索采用12對(duì)單索面雙排索，主梁分為鋼箱梁、預(yù)應(yīng)力混凝土梁和鋼混結(jié)合段三部分，梁高3 m，橫向設(shè)置2.0%的雙向坡。橋式總體布置見圖1。

圖1 主橋總體布置圖（單位：m）

3 空間模型

采用MIDAS CIVIL2017有限元軟件建立空間模型見圖2，按照規(guī)范及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)加載，其中跨過(guò)既有鐵路的主跨汽車荷載采用城-A級(jí)荷載的同時(shí)考慮1.3倍的放大。主梁、橋塔和主墩均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行三維模擬，斜拉索則采用桁架單元模擬，截面特性按實(shí)際設(shè)計(jì)截面參數(shù)定義。

圖2MIDASCIVIL有限元模型

4 考慮行波效應(yīng)的地震響應(yīng)分析

4.1 計(jì)算假定

（1）考慮到結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性和各橋墩的不一致剛度，為獲得最不利響應(yīng)，假定地震波由小里程向大里程方向傳播。計(jì)算大跨度混合梁斜拉橋的地震響應(yīng)，地震波傳播速度分別為150 m/s、450 m/s、1 200 m/s、5 000 m/s，并與一致激勵(lì)地震響應(yīng)做對(duì)比分析。

（2）在非一致激勵(lì)計(jì)算過(guò)程中，地震動(dòng)的響應(yīng)假定采用Taft波的地震加速度時(shí)程曲線模擬。

4.2 行波效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)位移的影響

在各種波速下，主塔塔頂和主梁關(guān)鍵截面的縱向位移響應(yīng)最不利值見表1。

表1主塔塔頂和主梁關(guān)鍵截面縱向位移響應(yīng)最值

由表1可知，大跨度非對(duì)稱混合梁斜拉橋在順橋向的激勵(lì)作用下：

（1）行波效應(yīng)對(duì)橋塔的縱向位移影響較大，地震波的波速大小與橋塔縱向的位移響應(yīng)成正比，地震波波速逐漸增大并逐步接近一致激勵(lì)的響應(yīng)結(jié)果。

（2）行波效應(yīng)對(duì)主梁的縱向位移影響較大，地震波的波速大小與主梁縱向的位移響應(yīng)成正比，地震波波速度逐漸增大并逐步接近一致激勵(lì)的響應(yīng)結(jié)果。主梁的縱向位移與主塔的縱向位移變化規(guī)律一致。

4.3 行波效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

在各種波速下，混合梁斜拉橋主塔底部和邊墩底部的內(nèi)力響應(yīng)結(jié)果見表2。

表2 主塔底部和邊墩底部?jī)?nèi)力響應(yīng)最值

從表2可知，大跨度非對(duì)稱混合梁斜拉橋考慮行波效應(yīng)情況下：

（1）行波效應(yīng)對(duì)橋塔的內(nèi)力影響較大，地震波波速大小與橋塔內(nèi)力響應(yīng)基本成正比，地震波波速逐漸增大并逐步接近一致激勵(lì)的響應(yīng)結(jié)果。

（2）行波效應(yīng)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)局部區(qū)域的地震響應(yīng)增加，同時(shí)也減少了部分結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。近震源端結(jié)構(gòu)內(nèi)力隨波速的增加接近于一致激勵(lì)情況，而遠(yuǎn)震源端結(jié)構(gòu)以低速行波時(shí)內(nèi)力較大。

5 余震的地震響應(yīng)分析

5.1 分析思路

運(yùn)用剛度折減來(lái)模擬地震響應(yīng)過(guò)后各橋墩的損傷狀態(tài)，并計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)在余震作用下的響應(yīng)。通過(guò)折減非對(duì)稱混合梁斜拉橋樁基、橋塔、邊墩及輔助墩的剛度，假定剛度分別按照10%、20%和30%進(jìn)行了折減，并通過(guò)Taft波模擬余震波，余震波的內(nèi)力及位移分別與E1、E2地震作用下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

5.2 余震對(duì)結(jié)構(gòu)位移的影響

結(jié)構(gòu)剛度折減情況下主塔和主梁關(guān)鍵截面位移的最不利值見表3。

表3 剛度折減下主塔和主梁關(guān)鍵截面位移最值 m

從表3看出，非對(duì)稱混合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)在剛度折減后，主塔和主梁關(guān)鍵截面的縱向和橫向位移響應(yīng)結(jié)果如下：

（1）剛度折減對(duì)橋塔的位移影響較大，剛度折減大小與橋塔位移基本成正比。隨著剛度降低逐步加大，結(jié)構(gòu)縱向位移逐步接近E2地震作用下的位移響應(yīng)。為避免因過(guò)度位移而造成橋梁結(jié)構(gòu)損壞，建議采取措施限制橋梁的縱向位移。

（2）鑒于主梁剛度未折減而降低，主梁的位移是由橋塔縱向位移引起的，主梁縱向位移響應(yīng)基本和主塔的變化一致。

（3）剛度折減法模擬余震，剛度折減30%的結(jié)構(gòu)局部區(qū)域的位移甚至超過(guò)了E2地震響應(yīng)，進(jìn)一步闡述余震對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞接近主震，不容忽視。

5.3 余震對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響

結(jié)構(gòu)剛度折減情況下，墩塔結(jié)構(gòu)的最不利應(yīng)力值見表4。

從表4可以看出，非對(duì)稱混合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)在剛度折減而降低后，主塔和各墩應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果如下：

（1）剛度折減對(duì)橋塔的應(yīng)力影響較大，剛度折減大小與橋塔應(yīng)力基本成正比。隨著剛度降低逐步加大，結(jié)構(gòu)縱向位移逐步接近E2地震作用下的應(yīng)力響應(yīng)。橫+豎向的應(yīng)力最不利值變化要大于縱+豎向，剛度折減而降低對(duì)橫向+豎向的荷載輸入影響相對(duì)更大。

（2）主塔的剛度折減而降低對(duì)其應(yīng)力影響有限。隨著主塔剛度的減少，橋墩內(nèi)力重新分布后承受了更多內(nèi)力，應(yīng)力也增加。

6 結(jié)論

（1）行波效應(yīng)對(duì)橋塔的內(nèi)力和縱向位移影響較大，地震波波速大小與橋塔內(nèi)力和縱向位移響應(yīng)基本成正比，地震波波速逐漸增大并逐步接近一致激勵(lì)的響應(yīng)結(jié)果。行波效應(yīng)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)局部區(qū)域的地震響應(yīng)增加，同時(shí)也減少了部分結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。近震源端結(jié)構(gòu)內(nèi)力隨波速的增加接近于一致激勵(lì)情況，而遠(yuǎn)震源端結(jié)構(gòu)以低速行波時(shí)內(nèi)力較大。

表4 剛度折減下墩塔結(jié)構(gòu)的最不利應(yīng)力值MPa

（2）通過(guò)剛度折減的方法來(lái)模擬強(qiáng)余震對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，剛度降低多少與主梁和橋塔應(yīng)力和位移基本成正比。隨著剛度折減逐步加大，結(jié)構(gòu)應(yīng)力和縱向位移逐步接近E2地震作用下的地震響應(yīng)。隨著主塔剛度的減少，橋墩內(nèi)力重新分布后承受了更多內(nèi)力，應(yīng)力也隨之增加。鑒于強(qiáng)余震作用能對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成接近主震程度的破壞，抗震分析研究應(yīng)尤其重視。