蘇北地區(qū)大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)選型及地震響應(yīng)分析

張海峰

摘 ? 要：橋梁連著你我他，在現(xiàn)代交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中發(fā)揮著至關(guān)重要的樞紐作用，但是其容易受到地震等自然災(zāi)害的破壞，影響交通行駛，甚至?xí)斐扇藛T生命安全以及財(cái)產(chǎn)損失，我國(guó)斜拉橋數(shù)量較多，本文基于地震導(dǎo)致橋梁病害甚至倒塌問(wèn)題，分析大跨度斜拉橋橋梁地震響應(yīng)，提出合適的斜拉橋橋梁結(jié)構(gòu)選型，以增強(qiáng)橋梁的抗震性能，保障人們出行以及財(cái)產(chǎn)安全。

關(guān)鍵詞：斜拉橋 ?結(jié)構(gòu)選型 ?地震響應(yīng)

中圖分類號(hào)：TU311 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）08（a）-0014-02

現(xiàn)代交通越來(lái)越重視橋梁在地震作用下的行為狀況，在一般的橋梁震害中，下部結(jié)構(gòu)以及基礎(chǔ)的破壞對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)是致命性的，并且也會(huì)對(duì)災(zāi)后橋梁的修復(fù)重建造成極大困難，因此在橋型的選擇以及橋梁的結(jié)構(gòu)布置上應(yīng)慎重考慮。

本文就斜拉橋地震響應(yīng)進(jìn)行分析，提出合適的斜拉橋橋梁結(jié)構(gòu)形式，以增強(qiáng)橋梁抗震性能，與同業(yè)們一起學(xué)習(xí)探討。

1 ?分析方法

雖然人類記錄地震已有很長(zhǎng)的歷史，但是在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候加入地震因素卻只是從20世紀(jì)20年代開始。從許多的地震災(zāi)害資料中我們可以發(fā)現(xiàn)，避免或者減少地震災(zāi)害可以通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)使其獲得較強(qiáng)的抗震能力。我們可以通過(guò)研究結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算的地震力理論和確定抗震設(shè)計(jì)的破壞準(zhǔn)則來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震能力的設(shè)計(jì)。

常規(guī)的小跨徑以及非拉索支持的橋梁，其抗震能力設(shè)計(jì)主要考慮橋梁自重荷載以及機(jī)動(dòng)車輛等活載作用，之后再校核地震和風(fēng)荷載等環(huán)境荷載作用，但對(duì)于跨度較大的懸索橋或者斜拉橋，環(huán)境和使用這兩種荷載同等重要，在一些地震頻繁發(fā)生的區(qū)域，在初步設(shè)計(jì)時(shí)就認(rèn)真地考慮地震荷載，進(jìn)行專項(xiàng)的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。依據(jù)地震作用理論，目前廣泛使用的三種確定性地震反應(yīng)分析方法：靜力法、反應(yīng)譜法和動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法。

最早開始采用的一種分析方法是靜力法，其假設(shè)結(jié)構(gòu)物與地震動(dòng)具有一個(gè)相同的振動(dòng)，在做抗震設(shè)計(jì)時(shí)，把地面運(yùn)動(dòng)加速度作用下產(chǎn)生的慣性力當(dāng)作是作用在結(jié)構(gòu)上的靜力，這樣的分析方法簡(jiǎn)潔、單一、易于操作，但從系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)角度來(lái)看的話，僅僅把地震加速度當(dāng)作是結(jié)構(gòu)受地震影響破壞的單個(gè)因素就有著較大的缺陷，因?yàn)殪o力法沒(méi)有對(duì)地震運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱與場(chǎng)地地質(zhì)的優(yōu)劣給出合理的反映，忽視了地震運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)動(dòng)力兩個(gè)特性。靜力法只有在當(dāng)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)周期比地震運(yùn)動(dòng)周期小的多的多以及其在地震振動(dòng)時(shí)幾乎不產(chǎn)生變形，相當(dāng)于剛體的時(shí)候，其分析研究才能成立，不滿足這個(gè)條件，就無(wú)法使用靜力法。

目前結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)普遍運(yùn)用的方法是反應(yīng)譜法。反應(yīng)譜法采用“地震荷載”的概念，同時(shí)兼顧地面運(yùn)動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，相比較靜力法有很大的進(jìn)步。反應(yīng)譜法抗震計(jì)算有三個(gè)基本的步驟：

（1）首先計(jì)算出設(shè)計(jì)用地震動(dòng)反應(yīng)值，根據(jù)強(qiáng)震幾率統(tǒng)計(jì)分析繪制反應(yīng)譜，建立結(jié)構(gòu)振動(dòng)方程;（2）然后將振動(dòng)方程按振型分解，用上部所得反應(yīng)譜求得物理位移最大值;（3）最后采用組合各振型反應(yīng)最大值的方法，得到各項(xiàng)反應(yīng)量的最大值。

反應(yīng)譜理論有以下最基本的假定：結(jié)構(gòu)具有線彈性的地震反應(yīng)，可以疊加振型組合;結(jié)構(gòu)所有支撐處的地震動(dòng)完全相同;結(jié)構(gòu)最大地震反應(yīng)即為最不利地震反應(yīng);地震動(dòng)的發(fā)展過(guò)程是平穩(wěn)隨機(jī)的過(guò)程。

反應(yīng)譜法優(yōu)點(diǎn)如下：概念比較簡(jiǎn)單、計(jì)算也很方便、數(shù)據(jù)量也不大，結(jié)構(gòu)的最大反應(yīng)值通過(guò)使用較少的計(jì)算量就能求得;地震譜可根據(jù)相關(guān)規(guī)范與地震危險(xiǎn)性分析獲得，之后計(jì)算工作重難點(diǎn)主要集中在如何分解結(jié)構(gòu)振型方程，再通過(guò)恰當(dāng)方法組合各振型反應(yīng)最大值，從而求得結(jié)構(gòu)反應(yīng)的最大值，應(yīng)用反應(yīng)譜法分析可以求得比較滿意的結(jié)果;反應(yīng)譜法通過(guò)把動(dòng)力問(wèn)題轉(zhuǎn)化為擬靜力問(wèn)題，專業(yè)技術(shù)人員容易接受，同時(shí)也方便操作。

隨著地震記錄資料的增多和計(jì)算機(jī)技術(shù)的深入運(yùn)用而發(fā)展起來(lái)的一種社會(huì)普遍公認(rèn)的精細(xì)度較高的分析方法是動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法。目前，絕大多數(shù)國(guó)家或地域?qū)ΤＲ姷闹行】鐝綐蛄阂琅f使用反應(yīng)譜分析方法計(jì)算，但對(duì)重要程度高、復(fù)雜系數(shù)大、跨度跨徑大的橋梁抗震設(shè)計(jì)計(jì)算都建議使用動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法。動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法首先輸入地震動(dòng)（地震動(dòng)加速度時(shí)程），建立地震動(dòng)方程，使用多節(jié)點(diǎn)多自由度的結(jié)構(gòu)有限元?jiǎng)恿τ?jì)算模型，運(yùn)用積分法求解方程，計(jì)算地震發(fā)展過(guò)程中的每一個(gè)瞬時(shí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移、速度及加速度反應(yīng)值，從而把結(jié)構(gòu)在地震破壞下彈性或非彈性階段的內(nèi)力變化分析出來(lái)，一步步構(gòu)建從開裂到損壞直至倒塌的全過(guò)程。這項(xiàng)計(jì)算工程非常龐大繁瑣，需要應(yīng)用專門的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序來(lái)完成。動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法較精準(zhǔn)地考慮了地基與結(jié)構(gòu)之間的相互作用、地震動(dòng)加速時(shí)程相位差及不同地震動(dòng)加速時(shí)程多分量多點(diǎn)輸入、結(jié)構(gòu)的幾何、材料、邊界條件等各種非線性因素以及分塊阻尼等問(wèn)題。另外，該方法使得橋梁的抗震設(shè)計(jì)計(jì)算由單一的強(qiáng)度保證轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)度與變形（延性）的雙重保證，于此同時(shí)，專業(yè)技術(shù)工作人員也更加了解了結(jié)構(gòu)受地震動(dòng)力破壞的機(jī)理和如何提高橋梁抗震性能的有效途徑。目前，針對(duì)大跨、復(fù)雜的橋梁，其地震動(dòng)時(shí)程設(shè)計(jì)計(jì)算較多使用時(shí)程積分法。

時(shí)程積分法求解的一般步驟如下：

（1）將振動(dòng)時(shí)程細(xì)分為一系列相等或不相等的微小時(shí)間間隔Δt：

（2）假定在Δt的時(shí)間間隔以內(nèi)，結(jié)構(gòu)位移、速度及加速度按照一定的規(guī)律變化（中心差分、常加速度、現(xiàn)行加速度、Newmarkβ法或者Willson-θ法等）。即可求解Δt+t時(shí)刻結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。Δt+t時(shí)刻結(jié)構(gòu)的動(dòng)力平衡方程可以用以下的增量形式表示：

2 ?斜拉橋選型

2.1 斜拉橋的構(gòu)造形式

斜拉橋有多種形式，從拉索的布置分類來(lái)說(shuō)，有順橋向布置以及橫橋向布置。

橫橋向布置的斜拉橋有三種形式，單索面形式、雙垂直索面形式以及雙斜索面形式。

除了索面的構(gòu)造有所不同之外，索塔的布置也有所不同，當(dāng)索面為單索面時(shí)，索塔的布置有獨(dú)柱形、倒V形及倒Y形三種形式。

當(dāng)索面為雙索面時(shí)，索塔的布置主要有雙柱式、門式、寶石形、倒V形、倒Y形及H形六種形式。

2.2 結(jié)構(gòu)選型方法

對(duì)于橋梁的結(jié)構(gòu)選型來(lái)說(shuō)，需要考慮的因素有很多，比如造型、預(yù)算以及航運(yùn)、空運(yùn)的暢通等要求。通過(guò)以上方法從結(jié)構(gòu)抗震的角度對(duì)斜拉橋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)下的結(jié)果分析，選取一個(gè)較為安全的結(jié)構(gòu)形式。

3 ?結(jié)語(yǔ)

斜拉橋作為一種新型的橋梁形式出現(xiàn)之后，由于其結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)異以及跨度上的優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)發(fā)展十分迅速，其動(dòng)力性能的研究一直受到橋梁界的廣泛重視。但是對(duì)于斜拉橋的抗震設(shè)計(jì)的資料十分匱乏，這主要是因?yàn)榧幢阈崩瓨虻臄?shù)目增長(zhǎng)很快，卻沒(méi)有任何一座斜拉橋有過(guò)強(qiáng)震的經(jīng)驗(yàn)。因此，許多國(guó)家在80年代開始就投入了大量的科研力量在斜拉橋的地震反應(yīng)分析上。經(jīng)過(guò)了數(shù)十年的研究，現(xiàn)在人們對(duì)于斜拉橋的地震反應(yīng)有了比較深刻的認(rèn)識(shí)，也有了比較成熟的理論。因此，根據(jù)地震響應(yīng)分析結(jié)果，結(jié)合相關(guān)理論，選擇合適的斜拉橋橋梁結(jié)構(gòu)形式，是保障橋梁抗震性能的有效途徑。

參考文獻(xiàn)

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