杨湾河特大斜拉桥主桥部分抗震性能研究
2020-04-17李健邓旻卜旭东
李健，邓旻，卜旭东
（1.安徽路桥工程集团有限责任公司，安徽 合肥 230001；2.安徽阳望交通建设有限公司，安徽 安庆 246200；3.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）
1 引言
随着我国经济实力的不断提高，交通事业不断发展，人们对交通线路的依赖程度也更加强烈。桥梁作为整个交通路网的关键线路，是百姓生命线的关键组成部分，一旦发生破坏或倒塌将直接影响整个交通的线路的正常运转，对灾后救援工作造成极大困难。因此应该完善评价桥梁结构抗震能力的方法，重视桥梁结构的抗震水平研究，不断提高桥梁抗震性能水准，从而保证桥梁结构尤其是大跨径桥梁结构在地震作用下的安全性和可靠性[1-2]。所以本文选取杨湾河特大跨径斜拉桥为工程背景，分析桥梁结构的抗震性能，评估其安全性与可靠性[3-4]。
2 桥梁抗震的基本理论
2.1 多振型反应谱分析
对理想化为多自由度系统的复杂桥梁，其在单一水平方向地震动作用下的动力平衡方程可以表示为：
由此可知，第i个质点水平方向上由第j阶振型所引起的最大地震力为：
上式中：MPFi即为第i振型参与系数，S表示水平设计加速度反应谱竖标值。
由于各振型的最大反应量不一定同时发生。因此，在利用式（2）计算第i质点水平方向上的最大地震力时，必须考虑不同振型最大反应量的组合问题。当桥梁结构相邻两阶振型的自振周期Tj和Ti较接近时（Tj＞T）i，应采用 CQC 法来计算振型组合问题。即结构的地震作用效应可通过下式确定：
上式中，Ei和Ej分别表示第i阶和第j阶振型的最大地震力，rij表示相关系数，可通过下式确定：
其中，ξ表示阻尼比，ρT=Tj/Ti为周期比。
2.2 非线性动力时程分析
桥梁结构在各支撑处均受到地面运动的作用，其运动方程可写成以下分块矩阵的形式：
由于结构是非线性的，因此Cs、Ks和R均是时间的函数，为便于分析，式（6）用增量方程的形式给出如下：
由上式采用逐步积分法可求出节点的动力位移及加速度增量，节点的总位移为节点的动力位移与静力位移之和。每一步单元内力亦是动力位移量引起的内力与拟静力位移引起的内力之和。
3 抗震性能研究
杨湾河特大桥属于G347安九二期一级公路工程，位于望江县境内，桥梁全长1322m，桥跨布置为主桥365m，左右引桥各160m，左右各桥台3.5m，全桥立面图如图1所示，用桥梁抗震分析软件SAP2000 v14.1.1进行杨湾河特大桥的地震响应分析。采用有限元模型描述桥梁结构的动力特性时，必须将结构离散化，包括桥梁结构本身（上部结构、下部结构）的单元划分和边界处理等。
图1 杨湾河特大桥主桥抗震有限元分析模型
3.1 地震动输入
现阶段多级设防的抗震设计思想已被广泛接受。其中，两水准设防、两阶段设计的抗震设计方法较为成熟。在抗震分析中，主桥取地表100年10%(E1地震作用)和100年5%(E2地震作用)超越概率下的加速度反应谱作为水平地震荷载，竖向地震荷载取水平地震荷载的0.5倍，阻尼比为0.03的水平设计加速度反应谱可由式（8）确定：
杨湾河特大桥的场地特征周期为0.45s，地震动基本加速度峰值为0.065g。上式中，Tg表示桥址场地的特征周期；T表示桥梁结构的自振周期；Smax表示水平设计加速度反应谱最大值。
在进行时程分析时，地震动输入分别采用50年55%超越概率和50年2%超越概率的场地水平加速度时程，采用人工生成时程波的方式在水平向设计反应谱生成7条地震波，其中一条如图2所示。
图2 地震的水平向人工加速度时程曲线样本
3.2 结果分析
图3 主塔控制截面抗弯验算折线图（单位：）
图4 桥墩控制截面抗弯验算折线图（单位：）
在控制截面抗弯验算中采用X-TRACT计算在实际轴力作用下各个关键截面的实际抗弯能力，从而与实际弯矩进行对比，求出能力需求比来判断截面或桩的能力是否满足实际要求。
在地震作用下，按前述地震波进行非线性动力时程分析，可以得到桥梁各构件关键截面的地震响应，并按照最不利荷载组合进行截面抗弯验算，其中荷载为恒载与地震荷载的组合。结果见图3和图4。
可以看到，主塔和桥墩关键界面弯矩沿截面6对称，主塔最大弯矩为132927km·m，桥墩最大弯矩为8024.35km·m，在地震作用下，各关键截面的抗弯能力均大于其在地震下的响应，所以在地震作用下结构未发生破坏，满足抗震要求。
4 结论
①通过有限元软件SAP2000建立杨河湾大桥主桥结构的空间抗震有限元分析模型，该模型能够正确反映桥梁上部结构、下部结构、支座和地基的刚度、质量分布及阻尼特性，并考虑相邻结构及边界条件的影响。
②杨湾河特大斜拉桥主桥部分，线弹性反应谱分析和非线性动力时程分析两种方法的计算结果进行了对比，主塔、过渡墩、辅助墩等各关键截面在设计配筋率下的抗弯性能均满足预期抗震性能目标。
