中央扣對懸索橋抗震性能的影響研究

張 波 鄭宇欣

（四川省交通勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610031）

0 引言

大跨度懸索橋是一種柔性結構，主梁在縱橋向一般為漂浮體系，汽車活載、制動力、風荷載及地震等作用下，主纜和主梁都會產生縱橋向位移，且纜、梁位移不同步，引起吊索彎折[1]。在跨中附近由于吊索最短，彎折現象將更加明顯。為了減小活載引起主梁的縱向位移和風振等引起跨中短吊索的彎折、疲勞問題，目前國內類似工程常在跨中設置中央扣拉索[2]。

常用中央扣分為剛性中央扣和柔性中央扣[3]，此外針對地震荷載效應突出的特大懸索橋，也有采用屈曲約束支承的阻尼中央扣[4]。本文就中央扣對懸索橋抗震性能的影響進行研究。

1 中央扣方案

為對比不同的中央扣體系對主橋抗震性能的影響，分別建立無中央扣、剛性中央扣、柔性中央扣及阻尼中央扣4 個空間動力計算模型。其中剛性中央扣采用H 型Q355鋼材，高度0.65m，寬度0.64m，板厚0.03m；柔性中央扣采用單根265Φ5.0mm 高強平行鋼絲吊索；阻尼中央扣采用屈曲約束支撐桿件，屈服承載力5000kN，極限承載力7000kN，屈服前剛度500kN/mm，屈服后剛度15kN/mm。中央扣方案見表1所示。

表1 中央扣方案比較

2 某實橋案例分析

2.1 工程概況

本橋為主跨1060m 單跨鋼桁架梁懸索橋，主纜跨徑組成為172m+1060m+260m。兩根主纜中心距為27.5m，成橋狀態下的中跨垂跨比為1∶9。橋塔側吊索距橋塔中心線水平距離為20m，其余吊索標準水平間距為15m。總體布置如圖1 所示。E2 地震內力采用非線性時程計算，主塔塔柱關鍵截面如圖2所示。

圖1 橋跨總體布置圖

圖2 主塔關鍵截面示意

2.2 有限元模型

結構縱向整體采用有限元分析軟件MIDAS/CIVIL進行空間三維建模，對結構按規范計算分析。

主纜與主塔之間的連接采用主從節點模擬；主梁支座采用彈性連接模擬；主塔樁基根據樁土作用按節點彈性支撐模擬、主纜端部設固結約束。全橋共離散為9786個節點，10926個梁單元，1688個板單元，352個索單元，16個桁架單元。結構離散模型如圖3所示。

圖3 整體有限元計算模型

2.3 動力特性對比

分別建立方案A~方案D 的動力計算模型，得出各方案的振型，通過對比可知：各方案第一階振型均為主梁對稱橫彎，且4 個方案頻率基本一致；第二階振型均為主梁縱飄+反對稱豎彎，設置中央扣后，剛性中央扣、柔性中央扣、阻尼中央扣方案與無中央扣方案相比，頻率提高比例分別為10.69%、10.62%、10.77%，可見中央扣對主梁縱飄有一定的限制作用；同時，中央扣對提高主梁的反對稱扭轉剛度效果明顯，設置中央扣后，剛性中央扣、柔性中央扣、阻尼中央扣方案與無中央扣方案相比，反對稱扭轉頻率提高比例分別為17.87%、15.81%、18.36%。根據抗風設計規范，反對稱扭轉頻率越大，則懸索橋的靜風橫向失穩臨界風速越大，表明中央扣對提高主梁橫向抗風穩定性的積極作用越強。各方案主梁不同模態基頻對比見表2。

表2 各中央扣方案結構基頻對比（單位：Hz）

2.4 主塔E2地震縱向內力對比

分析塔柱在縱橋向的邊界約束，塔柱在塔頂受主纜的彈性約束，在塔底受基礎的固結約束，而塔柱中間為自由狀態，因此地震下塔柱的最大縱向位移出現在塔柱約3/4 的高度處。E2 時程作用主橋縱向最大位移和最小位移如圖4 所示。剛性、柔性、阻尼中央扣方案與無中央扣相比，寧南側塔柱最大縱向位移分別增加了32.8%、27.1%、30.7%，而巧家側塔柱最大縱向位移分別減小了-30.5%、-25.6%、-30.4%。表明設置中央扣后，寧南側塔柱縱向地震響應增大，而巧家側塔柱縱向地震響應減小。各方案塔柱縱向位移對比見表3。

圖4 E2時程作用主橋縱向最大、最小位移示意圖

表3 E2時程作用下各個方案塔柱最大縱向位移對比（單位：mm）

對比E2 時程作用下各方案塔柱縱橋向內力，以塔底截面為例，剛性、柔性、阻尼中央扣方案與無中央扣相比，寧南側塔底截面彎矩分別增大34.8%、29.3%、32.0%，剪力分別增大12.0%、15.7%、11.1%；巧家側塔底截面彎矩分別減小-25.8%、-22.0%、-25.1%，剪力分別減小-23.0%、-20.4%、-22.8%。

各方案主塔關鍵截面縱向彎矩計算結果見表4；各方案主塔關鍵截面最不利剪力計算結果見表5。

表4 恒+E2時程下各方案橫梁最不利彎矩對比（單位：kN·m）

表5 恒+E2時程下各方案橫梁最不利剪力Fz對比（單位：kN·m）

2.5 中央扣動力對比

E2 地震作用下，剛性中央扣的最大拉應力為523MPa，最大壓應力為-597MPa，柔性中央扣的最大拉應力為2156MPa，最大壓應力為-2225MPa，遠超過兩者的承載能力。對于普通的剛性中央扣，由于其屈服后受壓時產生失穩屈曲，其滯回耗能作用無法準確衡量，因此剛性中央扣計算時不考慮其耗能作用。而對于柔性中央扣，一方面由于其材質為高強度鋼絲，另一方面受壓時會退出工作，因此也不具備耗能性能。

阻尼中央扣采用屈曲約束支撐桿件，E2 地震作用下，軸力超過5000kN 后進入屈服狀態，屈服前剛度500kN/mm，屈服后剛度15kN/mm。由于其屈服后剛度很小，因此屈服后軸力增加受到控制，經計算E2 地震作用下阻尼中央扣最大拉力為5273kN，最大壓力為-5307kN，滿足受力要求。

3 結束語

通過對方案A~D4種中央扣方案對比計算，可以得出以下結論：

（1）中央扣可提高主梁的縱飄振型及一階反對稱扭轉的頻率，其中方案D 阻尼中央扣提高的比例最高，方案C 柔性中央扣提高的比例最低。表明中央扣對減小主梁縱向位移及提高主梁橫向抗風穩定性有積極作用。

（2）設置中央扣后，會造成寧南側塔柱縱向地震響應增大，而巧家側塔柱縱向地震響應減小。方案B~方案D不同中央扣方案對塔柱地震內力的影響相當。

（3）剛性中央扣及柔性中央扣方案存在地震內力過大，承載力無法滿足的問題。而阻尼中央扣進入屈服狀態后內力增加受到控制，承載力可滿足抗震需求。

綜上所述，該實橋宜采用方案D，即阻尼中央扣方案。