分离式轨道型独塔悬索桥近远场地震响应分析

刘永红

(建研地基基础工程有限责任公司，四川 成都 610028)

近年来，我国交通基建事业得到了迅猛发展。同时我国西藏地区分布着较多的地震带。在该地区的桥梁常常要跨越断层或靠近断层。跨断层[1]及近断层[2]地震能量丰富，脉冲型强。而受地形影响常常需要建立独塔自锚式悬索桥[3-4]，自锚式悬索桥在近断层脉冲等地震作用下其受力性能复杂，因此有必要对其进行专门的抗震分析。

悬索桥具有柔度大、刚度小等特征，在地震作用下可消耗地震能量。而自锚式悬索桥一般有独塔、双塔及多塔等几种形式。由于独塔自锚式非对称悬索桥刚度中心与质量中心不重合，导致结构集合非线性程度[5-6]较高，进而影响结构的自振特性及地震作用下的动力响应问题。跨断层和近断层附近的自锚式悬索桥往往要承受大于远场地震[7]数倍的地震能量[8]，因此十分有必要探究自锚式独塔悬索桥在不同地震类型下的动力响应问题。

本文基于上述研究，以某自锚分离式轨道型独塔悬索桥为研究对象，基于sap2000建立该悬索桥三维空间有限元模型，探究近场、远场、脉冲和非脉冲作用下的动力响应，为同类桥梁研究做参考。

1 工程概述

1.1 工程背景

本文以某轨道型自锚分离式独塔悬索桥为研究对象，其跨径组成为：(80+190+260+80) m。主梁采用轨道型空心薄壁钢箱梁截面，单幅主梁宽17 m，高3.2 m，壁厚0.02 m。一字型桥塔，桥塔采用变截面混凝土箱形截面，C50混凝土。过渡墩及辅助墩采用实心矩形混凝土截面，采用C40混凝土。由于桥塔两侧不等跨，因此在2号过渡墩侧设置14对吊杆，在4号过渡墩侧设置18对吊杆。

在2号墩顶附近设置2 200 kN的压重，在4号墩顶附近设置1 200 kN的压重，以此减少活荷载作用下的挠曲变形。在塔梁处采用通过斜撑横梁上设置竖向支承支座，纵桥向和横桥向设置弹性约束，过渡墩及辅助墩设置纵向活动支座，塔底固结。其桥型布置见图1。

1.2 有限元模型

采用sap2000建立其三维有限元模型，采用双主梁模型。用梁单元模拟主梁和桥塔，用桁架单元模拟主缆和吊杆。共采用330个结点，323个单元。由于自锚式悬索桥内力为自平衡模式，因此需要计算成桥平衡状态下各构件内力，采用无应力状态法计算成桥态桥塔、加劲梁、主缆及吊杆内力，其有限元模型如图2所示。

1.3 自振特性分析

自振特性是计算桥梁结构动力响应的分析基础，本文采用子空间迭代法计算该悬索桥自振特性，特征值控制参数：迭代次数：20次，收敛误差：1E-010，采用集中质量矩阵。表1给出了前10阶自振频率及振型。

表1 自振特性

2 地震动选取

为研究自锚式悬索桥在近场、远场、脉冲和非脉冲地震作用下的动力响应，根据该桥场地条件从PEER中选择了4条地震作为本文有限元模型的激励源，其特征参数见表2，时程曲线如图3，图4所示。

表2 地震参数

3 动力响应分析

3.1 位移响应

在四种地震作用下的塔顶位移和主梁位移如图5，表3所示。

表3 位移响应 cm

分析图5和表3可知：

1)在远场地震作用下塔顶纵向、主梁纵向和竖向位移最小，在脉冲型地震作用下位移响应最大。

2)对主梁竖向位移而言，脉冲型地震产生的位移响应约是非脉冲的4.05倍，这与地震PGA比值相对应。

3.2 缆索内力响应

在四种地震作用下的主缆和吊杆轴力分别如图6，图7所示，其中吊杆编号沿主梁从左往右依次增大。分析可得以下结论：1)据图6可知，四种地震作用下吊杆轴力变化规律保持一致。脉冲作用下各吊杆轴力大于其他三种地震下的轴力，远场地震下各吊杆轴力最小。2)边跨的中间吊杆轴力有最大值，最大值为1 281.924 kN,而靠近桥塔处的吊杆轴力有较小值，仅约为350 kN。主要原因是桥塔附近的主缆轴力的竖向分力大都由桥塔承担，而由吊杆承担的竖向分力较小。而边跨中间吊杆会承受因主缆自重增加的轴力。3)据图7分析可知，四种地震作用下的主缆轴力变化规律保持一致，与吊杆轴力规律类似，在脉冲地震作用下主缆轴力最大。与吊杆轴力不同之处是，主缆轴力在靠近桥塔处达到最大值，在桥塔两端处有较小值。

3.3 塔墩底内力

图8，图9给出了四种地震作用下的塔墩底弯矩、剪力,分析可知：1)5个塔墩底下的弯矩和剪力变化规律基本一致，但3号塔墩底的弯矩及剪力最大。2)在脉冲地震作用下的弯矩和剪力均要大于其他三种地震作用下的内力值。3)3号墩在脉冲地震作用下弯矩和剪力分别为6.4E+05 kN·m和1.87E+04 kN。

3.4 主梁内力

图10，图11分别给出了主梁弯矩和剪力在四种地震作用下的变化规律，分析可知：1)四类地震作用下，弯矩图走势一致。在4号辅助墩顶处脉冲地震作用下主梁存在较大负弯矩，约为3.90E+05 kN·m。2)四类地震作用下剪力在辅助墩及桥塔处存在突变效应，在脉冲地震作用下的2号辅助墩顶处剪力值最大，其值为3.28E+04 kN。

4 结语

本文探究了近场、远场、脉冲和非脉冲四种地震作用下自锚式轨道型分离式独塔悬索桥的地震响应，主要结论如下：

1)四种地震作用下的位移响应从大到小依次为：脉冲>非脉冲>近场>远场，其中主梁在脉冲地震作用下产生的竖向位移约是非脉冲的4.05倍。2)与位移响应类似，主缆和吊杆轴力均在脉冲地震作用下达到最大值，边跨中间吊杆轴力有最大值1 281.924 kN，而靠近桥塔处的吊杆轴力有较小值350 kN。主缆轴力在靠近桥塔处达到最大值，在桥塔两端处有较小值。3)5个塔墩底下的弯矩和剪力变化规律基本一致，但3号塔墩底的弯矩及剪力最大，分别为6.4E+05 kN·m，1.87E+04 kN。4)在4号辅助墩顶处脉冲地震作用下主梁存在最大负弯矩，约为3.90E+05 kN·m，剪力在辅助墩及桥塔处存在突变效应，在2号辅助墩顶处剪力值最大，其值为3.28E+04 kN。