分離式軌道型獨塔懸索橋近遠(yuǎn)場地震響應(yīng)分析

劉永紅

(建研地基基礎(chǔ)工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610028)

近年來，我國交通基建事業(yè)得到了迅猛發(fā)展。同時我國西藏地區(qū)分布著較多的地震帶。在該地區(qū)的橋梁常常要跨越斷層或靠近斷層。跨斷層[1]及近斷層[2]地震能量豐富，脈沖型強。而受地形影響常常需要建立獨塔自錨式懸索橋[3-4]，自錨式懸索橋在近斷層脈沖等地震作用下其受力性能復(fù)雜，因此有必要對其進行專門的抗震分析。

懸索橋具有柔度大、剛度小等特征，在地震作用下可消耗地震能量。而自錨式懸索橋一般有獨塔、雙塔及多塔等幾種形式。由于獨塔自錨式非對稱懸索橋剛度中心與質(zhì)量中心不重合，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)集合非線性程度[5-6]較高，進而影響結(jié)構(gòu)的自振特性及地震作用下的動力響應(yīng)問題。跨斷層和近斷層附近的自錨式懸索橋往往要承受大于遠(yuǎn)場地震[7]數(shù)倍的地震能量[8]，因此十分有必要探究自錨式獨塔懸索橋在不同地震類型下的動力響應(yīng)問題。

本文基于上述研究，以某自錨分離式軌道型獨塔懸索橋為研究對象，基于sap2000建立該懸索橋三維空間有限元模型，探究近場、遠(yuǎn)場、脈沖和非脈沖作用下的動力響應(yīng)，為同類橋梁研究做參考。

1 工程概述

1.1 工程背景

本文以某軌道型自錨分離式獨塔懸索橋為研究對象，其跨徑組成為：(80+190+260+80) m。主梁采用軌道型空心薄壁鋼箱梁截面，單幅主梁寬17 m，高3.2 m，壁厚0.02 m。一字型橋塔，橋塔采用變截面混凝土箱形截面，C50混凝土。過渡墩及輔助墩采用實心矩形混凝土截面，采用C40混凝土。由于橋塔兩側(cè)不等跨，因此在2號過渡墩側(cè)設(shè)置14對吊桿，在4號過渡墩側(cè)設(shè)置18對吊桿。

在2號墩頂附近設(shè)置2 200 kN的壓重，在4號墩頂附近設(shè)置1 200 kN的壓重，以此減少活荷載作用下的撓曲變形。在塔梁處采用通過斜撐橫梁上設(shè)置豎向支承支座，縱橋向和橫橋向設(shè)置彈性約束，過渡墩及輔助墩設(shè)置縱向活動支座，塔底固結(jié)。其橋型布置見圖1。

1.2 有限元模型

采用sap2000建立其三維有限元模型，采用雙主梁模型。用梁單元模擬主梁和橋塔，用桁架單元模擬主纜和吊桿。共采用330個結(jié)點，323個單元。由于自錨式懸索橋內(nèi)力為自平衡模式，因此需要計算成橋平衡狀態(tài)下各構(gòu)件內(nèi)力，采用無應(yīng)力狀態(tài)法計算成橋態(tài)橋塔、加勁梁、主纜及吊桿內(nèi)力，其有限元模型如圖2所示。

1.3 自振特性分析

自振特性是計算橋梁結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的分析基礎(chǔ)，本文采用子空間迭代法計算該懸索橋自振特性，特征值控制參數(shù)：迭代次數(shù)：20次，收斂誤差：1E-010，采用集中質(zhì)量矩陣。表1給出了前10階自振頻率及振型。

表1 自振特性

2 地震動選取

為研究自錨式懸索橋在近場、遠(yuǎn)場、脈沖和非脈沖地震作用下的動力響應(yīng)，根據(jù)該橋場地條件從PEER中選擇了4條地震作為本文有限元模型的激勵源，其特征參數(shù)見表2，時程曲線如圖3，圖4所示。

表2 地震參數(shù)

3 動力響應(yīng)分析

3.1 位移響應(yīng)

在四種地震作用下的塔頂位移和主梁位移如圖5，表3所示。

表3 位移響應(yīng) cm

分析圖5和表3可知：

1)在遠(yuǎn)場地震作用下塔頂縱向、主梁縱向和豎向位移最小，在脈沖型地震作用下位移響應(yīng)最大。

2)對主梁豎向位移而言，脈沖型地震產(chǎn)生的位移響應(yīng)約是非脈沖的4.05倍，這與地震PGA比值相對應(yīng)。

3.2 纜索內(nèi)力響應(yīng)

在四種地震作用下的主纜和吊桿軸力分別如圖6，圖7所示，其中吊桿編號沿主梁從左往右依次增大。分析可得以下結(jié)論：1)據(jù)圖6可知，四種地震作用下吊桿軸力變化規(guī)律保持一致。脈沖作用下各吊桿軸力大于其他三種地震下的軸力，遠(yuǎn)場地震下各吊桿軸力最小。2)邊跨的中間吊桿軸力有最大值，最大值為1 281.924 kN,而靠近橋塔處的吊桿軸力有較小值，僅約為350 kN。主要原因是橋塔附近的主纜軸力的豎向分力大都由橋塔承擔(dān)，而由吊桿承擔(dān)的豎向分力較小。而邊跨中間吊桿會承受因主纜自重增加的軸力。3)據(jù)圖7分析可知，四種地震作用下的主纜軸力變化規(guī)律保持一致，與吊桿軸力規(guī)律類似，在脈沖地震作用下主纜軸力最大。與吊桿軸力不同之處是，主纜軸力在靠近橋塔處達到最大值，在橋塔兩端處有較小值。

3.3 塔墩底內(nèi)力

圖8，圖9給出了四種地震作用下的塔墩底彎矩、剪力,分析可知：1)5個塔墩底下的彎矩和剪力變化規(guī)律基本一致，但3號塔墩底的彎矩及剪力最大。2)在脈沖地震作用下的彎矩和剪力均要大于其他三種地震作用下的內(nèi)力值。3)3號墩在脈沖地震作用下彎矩和剪力分別為6.4E+05 kN·m和1.87E+04 kN。

3.4 主梁內(nèi)力

圖10，圖11分別給出了主梁彎矩和剪力在四種地震作用下的變化規(guī)律，分析可知：1)四類地震作用下，彎矩圖走勢一致。在4號輔助墩頂處脈沖地震作用下主梁存在較大負(fù)彎矩，約為3.90E+05 kN·m。2)四類地震作用下剪力在輔助墩及橋塔處存在突變效應(yīng)，在脈沖地震作用下的2號輔助墩頂處剪力值最大，其值為3.28E+04 kN。

4 結(jié)語

本文探究了近場、遠(yuǎn)場、脈沖和非脈沖四種地震作用下自錨式軌道型分離式獨塔懸索橋的地震響應(yīng)，主要結(jié)論如下：

1)四種地震作用下的位移響應(yīng)從大到小依次為：脈沖>非脈沖>近場>遠(yuǎn)場，其中主梁在脈沖地震作用下產(chǎn)生的豎向位移約是非脈沖的4.05倍。2)與位移響應(yīng)類似，主纜和吊桿軸力均在脈沖地震作用下達到最大值，邊跨中間吊桿軸力有最大值1 281.924 kN，而靠近橋塔處的吊桿軸力有較小值350 kN。主纜軸力在靠近橋塔處達到最大值，在橋塔兩端處有較小值。3)5個塔墩底下的彎矩和剪力變化規(guī)律基本一致，但3號塔墩底的彎矩及剪力最大，分別為6.4E+05 kN·m，1.87E+04 kN。4)在4號輔助墩頂處脈沖地震作用下主梁存在最大負(fù)彎矩，約為3.90E+05 kN·m，剪力在輔助墩及橋塔處存在突變效應(yīng)，在2號輔助墩頂處剪力值最大，其值為3.28E+04 kN。