大跨度非对称悬索桥地震反应分析

大跨度非对称悬索桥地震反应分析
发布时间：2023-02-22T03:38:14.864Z 来源：《工程建设标准化》2022年19期第10月作者：师新虎李树鼎黄亚磊[导读] 为探究强震作用下大跨度非对称悬索桥的地震损伤机理，首先，基于Sap2000软件建立了实例桥梁的弹塑性分析模型，其次结合桥梁场地条件进行了地震动反应谱选取，并采用非线性时程分析法研究了桥梁的地震响应规律
师新虎李树鼎黄亚磊
四川公路工程咨询监理有限公司四川成都 610041
摘要：为探究强震作用下大跨度非对称悬索桥的地震损伤机理，首先，基于Sap2000软件建立了实例桥梁的弹塑性分析模型，其次结合桥梁场地条件进行了地震动反应谱选取，并采用非线性时程分析法研究了桥梁的地震响应规律。

结果表明：塔底截面与中横梁附近截面均属于桥塔的最易损截面，E2地震作用下其地震反应峰值约为E1地震作用下的3.6倍；地震激励为x+0.65z模式下塔柱截面的弯矩MY更控制设计，而横梁截面弯矩MZ更控制设计；E2地震作用下，塔柱各截面的能需比均大于1，各截面均未进入塑性损伤状态，同时，非线性阻尼器能有效地发挥良好的减震作用。

关键词：非对称悬索桥；地震反应；塑性损伤；阻尼器
中图分类号：U442.5 文献标志码：A
随着现代化城市人口的大量聚集和经济的高速发展，对交通线的依赖性越来越强，而桥梁作为连接交通生命线的重要咽喉，强震作用下一旦损坏，可直接导致灾后重建及震后供应链中断，错失最佳救援良机，致使次生灾害加重，可能导致的生命财产以及间接经济损失也将会越来越巨大。

近年来历次大震灾害显示了桥梁工程破坏的严重后果以及桥梁工程抗震研究的重要性。

而对于山区桥梁，受两岸基础地形及场地建设条件的影响，桥梁结构布置形式尽可能呈现异形型多样化状态。

尤其对于跨越“深V”峡谷的大跨度悬索桥[1]而言，其桥型布置大多为单塔悬索桥，使之结构形式呈非对称[2]状态。

目前国内学者对常规桥梁的抗震性能研究颇多，而对于大跨度独塔单跨悬索桥的抗震性能研究较少，加之地震动作用条件复杂性，使其地震响应问题也较特殊，因此研究该体系结构的地震反应特点及地震响应规律对保证结构抗震安全性及震后风险评估、震后优先级隔震决策尤为重要。

1 工程概况
某西南山区高速公路世界上最大跨度单塔单跨钢箱梁悬索桥，其上跨绿汁江，设计时速100km/h，桥梁全长798m，其中钢梁全长780m。

主缆矢跨比1/11，主梁总宽31.4m，主梁断面采用流线型扁平钢箱梁，主塔采用钢筋混凝土桥塔，塔柱身为矩形空心箱型截面，塔高156m，大桥两侧锚碇均采用隧道锚，钢梁在索塔处设置横向抗风支座、竖向支座及纵向阻尼装置，其中纵向阻尼装置采用非线性阻尼器。

桥位场区类型为Ⅷ度区Ⅱ类，动峰值加速度0.2g。

2 结构模型建立
2.1 动力分析模型
基于Sap2000软件建立桥梁—地震动有限元模型[2]。

其中主缆、吊索均采用索单元模拟，同时考虑预应力效应和应力刚化作用；桥塔、墩、承台等采用框架单元模拟；非线性粘滞阻尼器用DAMP单元模拟。

采用m法考虑土—桩结构相互作用，土弹簧在每根单桩上按2.5m等间距布置，计算表达式为：
式中：Kz为弹簧的计算刚度；m为非岩石地基水平抗力系数的比例系数；z为桩深；b1为桩的计算宽度。

非线性阻尼器采用精确的Maxwell模型，表达式如下：
式中：F为阻尼力，C为阻尼系数，ν为阻尼器的冲程速度， α为阻尼指数。

模型阻尼参数参考文献[2]设置。

图1 三维有限元模型示意
2.2地震动确定
成桥状态的自振特性表明：结构一阶基频为0.198，属于主梁第一阶对称侧弯。

根据大桥工程场地地震安全性评价资料，选择E1与E2地震两种不同概率水平下的加速度反应谱曲线[3]。

根据加速度反应谱曲线相匹配的地震动，分别考虑100年超越概率10％和100年超越概率4％两水平地震作用进行非线性时程分析。

每种概率水平下分别选取7条地震波进行计算并取7条地震波计算结果的平均值作为结构响应的最终结果。

2.3 非线性时程分析结果
E1、E2地震作用下，设置非线性阻尼器后的塔梁相对纵向位移分别为0.611、0.923，而无阻尼器状态下对应两种概率水平的位移峰值分别为1.11m、1.39m，减震率分别达44.5%、33.5%，说明非线性阻尼器在大震作用下起到了减缓梁端位移，降低梁端发生局部碰撞损伤的作用。

2.3.1 E1地震作用下截面强度验算
根据在恒载和地震作用下的轴力组合对主塔各控制截面进行M-曲线分析，得到各控制截面的初始屈服弯矩，从而进行抗震性能验算。

E1地震作用下，地震激励模式为“纵向+竖向”组合，塔柱各控制截面弯矩MY更控制地震需求，而横梁位置弯矩MZ更控制设计。

其中1#、2#、4#、5#、6#、7#号截面的保护层裂隙弯矩分别为4.57E+08N.m，1.85E+08N.m，1.37E+08N.m，3.84E+08N.m，2.89E+08N.m，8.60E+07N.m，与其对应各截面的等效屈服弯矩分别为6.09E+08，2.43E+08，1.75E+08，5.46E+08，4.25E+08，1.10E+08，由此说明塔柱各截面能需比均大于1，且在E1地震作用下均处于弹性阶段的无损伤状态。

注：1#截面为塔底截面；2号截面为中横梁处下塔柱截面； 4#截面为中横梁截面；5#截面为地系梁截面；6#截面为上横梁处塔柱截面；7#截面为上横梁截面。

2.3.2 E2地震作用下截面强度验算
E2地震作用与E1地震作用类似，塔柱截面弯矩MY更控制设计，而横梁位置弯矩MZ更控制设计。

地震激励模式为“纵向+竖向”组合下，1#、2#、4#、5#、6#、7#号截面的保护层裂隙弯矩分别为1.17E+09N.m，7.20E+08N.m，1.43E+08N.m，4.37E+08N.m，5.90E+08N.m，1.04E+08N.m，与其对应各截面的等效屈服弯矩分别为1.37E+09，8.44E+08，1.81E+08，6.04E+08，7.54E+08，1.29E+08，同理塔柱各截面能需比均大于1，各截面在E2地震下均不进入塑性损伤状态。

结论：
1、针对该体系桥梁，结构相对较柔，塔梁连接处设置非线性阻尼器能起到降低梁端位移，减小梁端局部碰撞损伤的作用。

2、索塔各控制截面的验算结果均满足规范[3]要求的抗震性能目标，塔柱截面弯矩MY更控制设计，而横梁位置弯矩MZ更控制设计。

3、E2地震作用下，结构整体处于弹性阶段，塔柱截面的裂缝宽度可能会超出容许值，但混凝土保护层依旧完好。

因地震过程持续时间较短，震后其裂缝靠自重一般可闭合，满足E2地震作用下局部可发生可修复的损伤，基本不影响车辆通行的性能要求。

4、地震激励方向为x+0.65z模式下，塔底截面成为桥塔的最易损截面，而上横梁及地系梁的强度安全储备较高。

因此，在E2地震下，提高塔底截面与中横梁截面的延性尤为重要。

参考文献
[1] 江辉,宋光松,郭辉,曾聪,卢文良,刘展铄,周勇政,何友娣.跨“V”形峡谷大跨度铁路悬索桥减震研究[J].中国铁道科学,2022,43(01):63-74.
[2]师新虎,郑史雄,贾宏宇.桩土模型及阻尼器参数对大跨度异型悬索桥地震响应的影响[J].铁道科学与工程学报,2019,16(08):1979-1988.DOI:10.19713/ki.43-1423/u.2019.08.015.
[3] 《公路桥梁抗震设计规范》JTG/T2231-01-2020.。