藍先林 徐向東 周 瀟 唐 志 杜 鑌

(貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

隨著川藏線的逐步建設，我國會涌現(xiàn)出更多的跨斷層和近斷層附近的橋梁。而自錨式懸索橋是總多橋梁類型中的一種。其內力為自平衡狀態(tài)，不設置地錨，與大地接觸點較少，加勁梁承受較大軸向壓力。在近斷層脈沖等地震作用下其受力性能復雜，因此有必要對其進行專門的抗震分析。

自錨式懸索橋形體優(yōu)美，無強大的地錨，受地形影響小，目前常有獨塔[1,2]、雙塔及多塔[3]自錨式懸索橋幾種形式。自錨式懸索橋為纜索承重結構，其幾何非線性[4]和剛度分配[5]體系嚴重影響著其自振特性[6]和動力特性[7]。對于處在跨斷層和近斷層附近的懸索橋，其往往要承受較大的空間變化地震動，常常受行波效應[8]、速度脈沖效應[9]的影響。近場地震[10]與遠場地震[11]其包含的能量千差萬別，非脈沖與脈沖型地震動對橋梁結構的破壞也不容忽視。因此探究自錨式懸索橋在近場、遠場、脈沖和非脈沖作用下的地震響應將顯得十分有必要。

基于上述研究，本文以某自錨式雙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、遠場、脈沖和非脈沖作用下的動力響應，為同類橋梁研究做參考。

1 工程背景及有限元模型

1.1 背景+有限元模型

本文以某雙塔自錨式懸索橋為研究對象，其跨徑組成為：(80+180+80)m。主梁為寬30m的扁平鋼箱梁，門架式橋塔，橋塔采用變截面混凝土箱形截面，C50混凝土。在塔梁處采用豎向支承支座，縱橋向和橫橋向設置彈性約束，邊跨設置縱向活動支座，塔底固結。共設33對吊桿，矢高36m，其橋型布置如圖1所示。為減小中跨活荷載作用下的撓曲變形，在邊跨兩端設置一定的壓重。

圖1 橋型布置(單位：m)

采用sap2000建立其三維有限元模型，采用單主梁模型。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277個結點，348個單元。由于自錨式懸索橋內力為自平衡模式，因此需要計算成橋平衡狀態(tài)下各構件內力，采用無應力狀態(tài)法計算成橋態(tài)橋塔、加勁梁、主纜及吊桿內力，其有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

1.2 自振特性分析

自振特性是計算橋梁結構動力響應的分析基礎，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 地震動確定及工況設置

2.1 地震動確定

為研究自錨式懸索橋在近場、遠場、脈沖和非脈沖地震作用下的動力響應，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)和時程曲線分別如表2和圖3～圖4所示。

表2 地震參數(shù)

圖3 近場與遠場地震動 圖4 非脈沖與脈沖地震動

3 動力響應分析

分別從位移響應和內力響應兩方面探究四種地震動對自錨式懸索橋的動力響應規(guī)律 。

3.1 位移響應

在四種地震作用下1#和2#塔頂以及跨中縱向位移如圖5所示，而其對應值如表3所示。分析可得以下結論：

(1)近場地震作用下的位移響應均要大于遠場地震下的位移響應，主要是因為遠場地震動加速度因為該橋基頻較大，結構自振周期小，形如長周期下的遠場地震對其影響不大；

(2)脈沖型地震動下會產生更大的位移，且最大值約為0.53m，這是因為脈沖型地震動PGA約是非脈沖型地震動PGA的4倍；

(3)主梁跨中豎向位移在四種類型地震作用下均較小，最大不超過0.01m，主要是因為該橋豎向剛度較大，且豎向位移可通過主纜和吊桿的拉力得到進一步減小，而纜索的拉力由主梁水平力進行自平衡，因此主梁跨中豎向位移較小。

圖5 縱向位移(單位：m)

地震類型1#塔頂2#塔頂主梁縱向主梁跨中豎向近場0.1260.1260.126-0.022遠場0.0060.0060.006-0.002非脈沖0.0680.0680.0660.000脈沖0.5490.5480.537-0.010

3.2 纜索內力分析

在四種地震作用下的吊桿和主纜軸力分別如圖6和圖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，遠場地震下各吊桿軸力最小。

(2)邊跨的端吊桿軸力有最大值，最大值約為9800kN,而靠近橋塔處的吊桿軸力有較小值，僅約為500kN。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，而由吊桿承擔的豎向分力較小。而邊跨端吊桿會承受因主纜自重增加的軸力，且邊跨主梁存在壓重，因此端吊桿軸力較大。

(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，在跨中和邊跨處有較小值。

圖6 吊桿軸力 圖7 主纜軸力

表3 塔底內力支座反力

3.3 塔底內力與支座反力

表3給出了四種地震作用下的塔底彎矩、剪力以及塔梁連接處的支座豎向反力。分析可知：

(1)地震下各內力響應均達到最大值，1#塔底內力和2#塔底內力基本保持一致，但2#塔底內力稍大于1#塔底內力，有可能是地震動空間性(行波效應、場地效應和部分相干效應)導致的。

(2)1#塔處支座反力與2#塔支座反力基本上相等，這是因為該橋為對稱布置的懸索橋，受力基本上保持對稱，但由于地震動空間性的影響，導致兩者不完全相等。

3.4 主梁內力

圖8和圖9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，且在塔梁處的彎矩值比較接近，且均在塔梁連接處主梁存在較大負彎矩，約為1.12E+05kN·m。主要是因為塔梁連接處采用固定鉸支座，整個主梁呈現(xiàn)雙懸臂狀態(tài)，故在固定處存在較大彎矩，在跨中處存在較大正彎矩。

(2)四類地震作用下剪力在塔梁處存在突變效應，突變的左右截面剪力值大體相等，其值約為5.16E+03kN。

圖8 主梁剪力(單位：×103kN) 圖9 主梁剪力(單位：×104kN·m)

4 結論

本文探究了近場、遠場、脈沖和非脈沖四種地震作用下自錨式雙塔懸索橋的地震響應，主要結論如下：

(1)近場地震作用下的位移響應均要大于遠場地震下的位移響應，脈沖型地震動下會產生更大的位移，且最大值約為0.53m，這是因為脈沖型地震動PGA約是非脈沖型地震動PGA的4倍，主梁跨中豎向位移在四種類型地震作用下均較小。

(2)四種地震作用下吊桿和主纜軸力變化規(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，遠場地震下各吊桿軸力最小。邊跨的端吊桿軸力有最大值，最大值約為9800kN,而靠近橋塔處的吊桿軸力有較小值，僅約為500kN。主纜軸力在靠近橋塔處達到最大值，在跨中和邊跨處有較小值。

(3)四種地震作用下橋塔塔底內力和支座反力均呈現(xiàn)對稱關系，但不完全相等。主梁彎矩圖在塔梁連接處主梁存在較大負彎矩，約為1.12E+05kN·m。主梁剪力在塔梁處存在突變效應，突變的左右截面剪力值大體相等，其值約為5.16E+03kN。