斜拉-悬吊协作体系桥抗震性能参数分析

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(浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014)

斜拉-悬吊协作体系桥是传统悬索桥和斜拉桥组合形成的一种新型缆索支承桥梁，它综合了两种体系的主要优点，跨越能力较强，并在国内外大跨桥梁的设计方案中屡次提出[1-2].进入21世纪后，世界桥梁工程将进入跨海连岛大桥建设的新时期.斜拉-悬吊协作体系桥由于造型新颖美观，结构受力合理，跨越能力强和经济性好，为21世纪跨海连岛大桥的建设提供了一种理想的解决方案.

斜拉-悬吊协作体系桥是一种大跨柔性结构，对风和地震等动力作用非常敏感，结构抗震性能是其设计需要考虑的重要问题.韩立中[3]、刘春城[4]、黄海新[5]及张凯[6]等以一座大跨度自锚式斜拉-悬吊协作体系桥-大连湾跨海大桥为例，对其抗震问题进行分析研究.文霁[7]利用有限元软件BNLAS，对一座1 692 m的斜拉-悬索体系设计方案桥建立计算分析模型，讨论了不同主梁刚度、桥塔刚度、主缆矢高和边主跨比、辅助墩以及结构支撑体系等对其地震响应的影响.孟续东[8]以虎门二桥为工程背景，提出了1 700 m主跨斜拉-悬索协作体系桥设计方案，并进行了设计方案的静动力分析.可以看出：前期对自锚式斜拉-悬吊协作体系桥的抗震研究比较充分，但其跨度有限，只有800 m，相比而言对具有更大跨度的地锚式斜拉-悬吊协作体系桥的抗震性能研究则比较薄弱.为此，以一座1 400 m主跨的地锚式斜拉-悬吊协作体系方案桥为背景，采用多振型地震反应谱方法，在水平地震作用下，对主缆矢跨比、吊跨比、边跨长度、辅助墩设置、主梁支承方式和主梁结构形式等结构设计参数对地震反应的影响进行分析，并提出结构设计参数的合理取值.

1 斜拉-悬吊协作体系方案桥简介

图1为一座主跨为1 400 m的斜拉-悬吊协作体系方案桥[9]，该桥布置形式为三跨(319+1 400+319) m，中跨主梁桥面设置半径为25 000 m竖曲线，两侧边跨设2%的纵坡.主跨悬吊部分长612 m，两侧斜拉部分总长788 m.主缆间距34 m，矢跨比为1/10，悬吊部分吊杆间距18 m.斜拉索间距在边跨为14 m，在中跨为18 m.主梁采用扁平状流线型钢箱梁，宽35.9 m，高3.0 m.桥塔采用混凝土门式框架结构，塔高约289 m，塔柱间设三根横梁.

图1 斜拉-悬吊协作体系方案桥总体布置

2 有限元分析模型建立

该桥抗震分析时，离散为如图2所示的三维有限元模型，共划分为814个单元和567个结点.主梁、主塔及横梁等采用非线性空间梁单元模拟，主梁采用鱼骨梁式计算模型；主缆、吊杆和斜拉索采用非线性空间杆单元模拟；斜拉索、吊杆与主梁之间采用刚臂单元联系.主梁与桥墩之间保持沿横向、竖向、绕纵轴、竖轴四个自由度的从属关系，以及沿纵向、绕横轴运动放松；主梁与桥塔交叉处按支承体系考虑，主梁在桥塔位置侧向位移受塔柱约束.

图2 斜拉-悬吊协作体系方案桥三维有限元模型

3 地震动输入

桥梁抗震设防类型为A类，地震基本烈度为7度，水平地震加速度峰值为0.1g，场地类别为Ⅲ类，场地土特征周期为0.45，结构阻尼比为3%，E1地震作用下的水平设计加速度反应谱如图3所示[10].

图3 E1地震作用下水平设计加速度反应谱

4 斜拉-悬吊协作体系桥抗震性能的结构设计参数分析

在纵横向水平地震下，采用多振型地震反应谱分析方法，进行主缆矢跨比、吊跨比、边跨长度、辅助墩设置、主梁支承方式和主梁结构形式等结构设计参数对抗震性能的影响分析，并探讨各结构设计参数的合理取值.分析时，由于该桥自振频率分布密集，振型间藕合效应明显，因此各振型的地震反应采用CQC方法进行组合，同时取结构体系的前60阶振型参与分析，各方向参与质量均达到90%以上.限于篇幅，以下部分仅给出结构地震反应的峰值.

4.1 主缆矢跨比

主缆矢跨比的变化将直接改变桥塔高度和斜拉索倾斜角度，同时导致主缆和斜拉索拉力发生变化，并最终影响到结构的整体刚度.在原方案桥(矢跨比为1/10)基础上，增加矢跨比为1/9和1/11两种比较工况进行水平地震反应分析，主塔和主梁的地震反应峰值分别见表1，2.

表1 主缆矢跨比对主塔地震反应的影响

表2 主缆矢跨比对主梁地震反应的影响

可以看出：矢跨比对主塔和主梁的地震反应有着明显的影响，尤其是在纵向地震作用下.纵向地震作用下，随着矢跨比的减小，桥塔的纵向位移、弯矩和轴力随之减小，而剪力则在矢跨比1/10时最小；同样，主梁的纵向位移、竖向弯矩、剪力和轴力都随着矢跨比的减小而减小，而竖向位移在矢跨比1/10时最小.横向地震作用下，随着矢跨比的减小，桥塔的横向位移随之减小，但其所受的横向弯矩、剪力和轴力则随之明显增加；主梁的横向位移及其弯矩都随着矢跨比的减小而减小.总体上看，主缆矢跨比为1/10时，主梁和主塔的地震反应表现较好，是比较理想的参数取值.

4.2 吊跨比

增大或减小吊跨比可以使斜拉-悬吊协作体系桥的受力性能更加趋向于悬索桥或斜拉桥.在原方案桥(吊跨比为0.437)基础上，增加吊跨比为0.3和0.5两种比较工况进行水平地震反应分析，吊跨比对协作体系桥抗震性能的影响如表3，4所示.

表3 吊跨比主塔地震反应的影响

表4 吊跨比主梁地震反应的影响

可以看出：吊跨比对主塔和主梁的纵向地震反应有着明显的影响，但对横向地震反应影响小.纵向地震作用下，随着吊跨比的增大，桥塔的纵向位移、弯矩、剪力和轴力都随之明显增大；同样，主梁的纵向位移、竖向弯矩、剪力和轴力也都随着吊跨比的增大而显著增大，但主梁跨中点的竖向位移则随之减小.横向地震作用下，随着吊跨比的增大，桥塔的横向位移略有减小，但其所受的横向弯矩、剪力和轴力则随之明显增加；主梁的横向位移及其内力受吊跨比的变化影响很小.总体而言，随着吊跨比的增加，结构的受力特点逐渐类似于悬索桥，结构总体刚度下降，结构的地震反应增大，因此从抗震性能方面考虑协作体系桥采用较小的吊跨比更有利.

4.3 边跨长度

为了揭示边跨长度对协作体系桥抗震性能的影响，在原方案桥基础上将边跨长度调整为394 m(与中跨斜拉部分对称)，对其进行水平地震作用下结构反应分析，计算结果与原方案桥(边跨长度314 m)的比较如表5，6所示.

表5 边跨长度对主塔地震反应的影响

表6 边跨长度对主梁地震反应的影响

随着边跨长度的增加，水平地震作用下，主塔纵桥向的地震内力和位移明显增大，而横向的地震内力和位移受此影响比较小.同样，主梁纵桥向地震作用下的结构内力和位移随着边跨长度的增加而显著增大，但其横桥向地震作用下的结构效应则有所减小.总的来看，边跨长度对结构纵向地震反应影响比较显著，而对横向地震反应影响较小，而且采用较短的边跨对结构的抗震性能更加有利.

4.4 辅助墩设置

为了提高结构体系的竖向刚度，协作体系桥设计时通常会在边跨设置若干辅助墩.在原方案桥基础上在两侧边跨各设置一个和两个辅助墩，进行不同辅助墩设置情况的水平地震作用分析，辅助墩设置对协作体系桥抗震性能的影响见表7，8.

表7 辅助墩对主塔地震反应的影响

表8 辅助墩对主梁地震反应的影响

可以看出：边跨设置辅助墩后，随着结构的竖向刚度的增强，纵向地震作用下桥塔和主梁的地震反应显著减小，而且随着辅助墩数目设置的增加，主梁的地震效应进一步减小，但主塔的纵桥向地震内力则在设置单个辅助墩时更小.在横向地震作用下，桥塔塔顶和主跨跨中的横向位移随着辅助墩设置数量的增加而明显减小，但结构的地震内力却随之有所增加.总的来说，辅助墩的设置对结构抗震是有利的，但设置数量还是需要结合静力性能、施工和经济性等条件来确定.

4.5 主梁支承方式

方案桥主梁的支承采用半漂浮体系，即主梁在塔柱处设置竖向支承，为了揭示主梁支承方式对协作体系桥抗震性能的影响，将原方案桥主梁支承改变为漂浮体系进行结构地震反应分析，主梁支承方式对主塔和主梁地震反应的影响分别如表9，10所示.

表9 主梁支承方式对主塔地震反应的影响

表10 主梁支承方式对主梁地震反应的影响

可以看出：横向地震作用下，漂浮和半漂浮体系的主塔和主梁的地震反应相差很小，协作体系桥横桥向的地震反应基本不受主梁支承方式的影响.相反，主梁支承方式对协作体系桥纵向地震作用影响非常明显.主梁采用漂浮体系后，主塔的主梁的纵桥向地震反应显著增大，必须采取合适的纵桥向约束方式以减小过大的纵桥向地震反应.因此，协作体系桥不适宜采用纵桥向无约束的漂浮体系，必须在塔梁间设置合适的纵向限位装置.

4.6 主梁结构形式

为了改善结构受力性能并提高经济性，斜拉-悬吊协作体系桥设计时可以对斜拉和悬吊部分主梁分别采用不同材料，如斜拉部分采用混凝土梁或结合梁，悬吊部分采用轻质钢箱梁.为了揭示桥面主梁构成对协作体系桥抗震性能的影响，将原方案桥桥面主梁的单一钢箱梁形式改变为混合梁，即斜拉部分采用预应力混凝土箱梁，悬吊部分则采用钢箱梁，两部分的断面外形一致，并对其进行水平地震反应，两者的地震反应比较分别如表11，12所示.

表11 主梁结构形式对主塔地震反应的影响

表12 主梁结构形式对主梁地震反应的影响

通过对比可以看出：桥面主梁采用混合梁后，水平地震作用下的结构位移显著减小，地震内力增大，说明结构的整体刚度得到明显提高，结构的抗震性能明显提高.因此，从抗震性能角度而言，协作体系桥宜采用钢混组合的桥面主梁.

5 结 论

笔者以一座1 400 m主跨的斜拉-悬吊协作体系方案桥为工程背景，采用多振型地震反应谱方法对其进行水平地震作用下的地震反应进行系统的参数影响分析，并提出了各结构设计参数的合理取值.结果表明：斜拉-悬吊组合体系桥当主缆矢跨比取为1/10、吊跨比在0.4～0.5之间、采用短边跨并设置辅助墩、半漂浮体系、桥面主梁采用混合梁时，可以获得比较好的抗震性能.

参考文献：

[1] 尼尔斯J吉姆辛.缆索支承桥梁—概念与设计[M].金增洪,译.2版.北京:人民交通出版社,2002.

[2] 张新军,张丹.吊拉组合体系桥的研究进展[J].浙江工业大学学报,2007,35(5):553-558.

[3] 韩立中,张哲,张劲泉,等.大跨自锚式斜拉-悬索协作体系桥地震响应及减震控制分析研究[J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版,2011,35(5):945-947.

[4] 刘春城,张哲.自锚式悬索桥的纵向地震反应研究[J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版,2002,26(5):607-610.

[5] 黄海新.自锚式斜拉-悬吊协作体系桥动力响应研究[D].大连:大连理工大学,2007.

[6] 张凯.自锚式斜拉-悬吊桥地震反应分析[D].大连:大连理工大学,2006.

[7] 文霁.斜拉-悬索体系桥力学特性研究[D].成都:西南交通大学,2004.

[8] 孟续东.1 700米主跨斜拉-悬索协作体系桥梁方案设计和静动力计算分析研究[D].成都:西南交通大学,2010.

[9] 张新军,潘航滨.吊拉组合体系桥施工过程抗风稳定性研究[J].浙江工业大学学报,2011,39(5):541-545.

[10] 中国交通运输部．JTGT B02-01—2008 公路桥梁抗震设计细则[S].北京:人民交通出版社,2008.