小跨径窄桥面悬索桥结构地震反应研究

小跨径窄桥面悬索桥结构地震反应研究

杜江梅

云南省公路开发投资有限公司，云南昆明650200

摘要：我国西南地区地震活动频繁，对小跨径窄桥面悬索桥在不同地震烈度下进行抗震性能研究是有必要的。本文计算了一座该类型桥梁的地震反应，并且以安全系数的形式分析了其在不同烈度下的抗震性能，结果显示刚性桥塔的截面设计是保证大震不倒的关键。

关键词：简易吊桥；动力特性；抗震分析

小跨径窄桥面悬索桥受力明确,跨越能力大并且结构简单、建造成本低、施工便利,与我国西南地区的地形条件相适应,对改善该地区的交通状况发挥着积极的作用。但该类型桥多数情况下被当作临时结构,设计时采用传统的理论公式法计算,偏重考虑静力荷载作用[1,2];而西南地区地震活动频繁,地震作用对该类型桥梁的影响[3]应当引起足够重视。本文以云南省某该类型桥为工程实例,在静力分析的基础上进行了结构动力分析,通过振型分解反应谱法与动力时程法计算了该类结构在的地震作用下的响应。

1工程概况

该小跨径窄桥面悬索桥是位于云南地区怒江东岸的一座农用车柔性吊桥，主缆跨径136m，矢高11.33m，矢跨比1/12；跨中设1.0m拱度，纵向线型按抛物线分配。桥面宽度：净3.5+2×0.5m，限单车通行，限载15t，车辆荷载标准采用汽车-15级标准车，车辆限速5km/h。主要构件材料如下：

缆索：6Φ48镀锌钢芯钢绳（种类ZAA6×36WS+IWR），公称抗拉强度1770MPa，单缩破裂力1450kN，弹性模量120000MPa。抗风缆索使用2Φ30镀锌钢芯钢绳；吊杆：Φ45HRB335；桥道系：纵梁[36a，横梁I16，桥面板8mm钢板；桥塔：混凝土门式刚构桥塔；索鞍：铸铁辊轴索鞍；混凝土：C35混凝土。

2总体动力分析

频率周期、振型模态和阻尼是结构的固有属性，体现结构的动力特性，是分析结构动力响应的基础。采用Midas/Civil软件建立桥梁结构模型，进行动力特性分析。

2.1模型

该桥结构简单，由索塔、缆索、吊杆、加劲梁和锚碇等组成，采用双塔单跨铰接体系，传力途径明确。采用三维空间模型模拟全桥：缆索及吊杆采用索单元，加劲梁和索塔结构采用空间梁单元；桥塔底部和缆索锚固处按固结约束处理，塔顶索鞍的模拟采用释放纵向约束的方式，加劲梁与桥台的连接采用简支支撑处理。有限元模型如图1所示。

图1桥梁的有限元模型

2.2动力特性

本次计算得到了结构的前300阶模态，以满足抗震计算分析所需要达到90%以上振型参与质量的要求。

通过模态分析，得到该桥的动力特性，汇总如下：

（1）该桥为柔性结构，基本周期为3.7140s，远低于大型悬索桥基本周期（10s以上），但是更靠近其场地的卓越周期（0.3s）。

（2）在其密集的振型中，首先出现加劲主梁的振型且集中在低阶；随后缆索的振型，最后出现索塔的振型集中在高阶。加劲主梁的振动先是横弯，再纵飘，后竖弯，最后扭转。索塔先纵向振动，再横向振动，后竖向振动。

（3）作为刚性结构的索塔，一阶振型的周期是0.2969s，非常接近场地的卓越周期。

3地震反应

反应谱法和动力时程法是地震分析的两种常见方法，动力时程法应用范围广泛，但是需要准确的地震动参数。该桥为简易吊桥，桥址处未做地震安全评估，缺少准确的地震动参数，现行的公路抗震细则给出的反应谱，基本周期范围达到10s，该桥跨径小，结构简单，基本周期为小于4s，且不考虑地震动的空间变化，使用反应谱法计算满足要求[4]。

3.1反应谱计算参数

抗震设防类别：C类桥梁；抗震设防烈度：Ⅶ（0.10g）；Ⅰ类场地；抗震设计分组：2组；场地卓越周期：0.30s；阻尼0.02。

地震作用分量的组合，同时考虑三个正交方向的地震作用，分别单独计算X、Y、Z方向的地震作用的最多效应Ex、Ey、Ez，总的设计最大地震作用效应E=[5,6]。

3.2计算结果

典型截面（塔底截面、加劲主梁、塔顶缆索截面）的内力计算结果汇总于表２。

计算结果表明，在地震作用下，桥梁结构各主要截面的内力不同程度增加，其中索塔弯矩显著增加,以纵向弯矩最为突出；加劲梁弯矩增加不大，但是轴力增加突出；缆索的内力相对于恒载增加1.09%～3.68%。

表２典型截面的内力

表２典型截面的内力截面内力恒载E1地震E2地震塔底截面(单肢)轴力N（kN）1525.700122.820361.250纵向剪力Fsz（kN）0.00046.580137.000横向剪力Fsy（kN）2.09849.280144.950横向弯矩Mz（kN.m）4.033196.750578.680纵向弯矩My（kN.m）0.000474.3301395.100加劲梁l/4截面（单根）轴力N（kN）0.3816.44018.960竖向弯矩My（kN.m）0.1670.1300.390横向弯矩Mz（kN.m）0.0100.1400.400加劲梁跨中截面(单根)轴力N（kN）0.2958.05023.680竖向弯矩My（kN.m）0.9330.0600.170横向弯矩Mz（kN.m）0.0040.0700.220塔顶主跨缆索轴力N（kN）1194.40015.20044.705塔顶边跨缆索轴力N（kN）1235.30015.91346.802

经分析可知，该桥各主要部分的强震反应不同：

刚性桥塔部分反应强烈，特别是底截面内力；柔性的主跨部分反应较弱，内力增加较小。桥塔的一阶自振周期（0.2969s）与场地的卓越周期（0.3s）接近，发生共振，地震反应剧烈。柔性的主跨部分，基本周期（3.7140s），振型密集且周期分布范围大，高阶振型影响不可忽略，但是总的地震反应还是较小的。

以下以安全系数的形式计算了该桥在不同烈度、不同地震加速度下的抗震性能。其中，桥塔和加劲主梁是以材料强度为指标，主缆索是以缆索破裂拉力为指标。计算结果如表2～表4和图2所示。

表2不同烈度下主塔底截面地震应力反应及安全系数

烈度<7度7度8度设计地面加速度<0.10g0.10g0.15g0.20g0.30g应力（Mpa）-0.4990.3860.8541.4562.660安全系数5.053.931.781.040.57

表3不同烈度下主缆索地震内力反应及安全系数

烈度<7度7度8度设计地面加速度<0.10g0.10g0.15g0.20g0.30g缆索内力（KN）1489.5231528.5971534.6861554.8081595.053安全系数5.845.695.675.605.45

注：主缆索设计抗拉力6×1450=8700kN。

表4不同烈度下加劲主梁地震应力反应及安全系数

图2不同烈度下主要部分安全系数

在VII度(0.1g)的抗震设防条件下,该桥不仅可以做到大震不倒而且达到大震不坏的标准,主缆索拥有5.69的安全系数,桥塔安全系数达到3.93,加劲主梁安全系数为1.91。但随着地震烈度的提高,除了主缆索安全系数高（大于5）以外,索塔和加劲主梁的安全系数下降很快,在VIII度(0.30g)的地震烈度的强震下，索塔安全系数0.57，已经达不到大震不倒的抗震求了；加劲主梁的安全系数下降到0.78，但是主梁为延性材料制作，不会全部失效，并且在大震时不必做到不坏。

4结论

小跨径窄桥面悬索桥属于简易吊桥，多修建于我国西南地区，特别是云贵地区，地质活跃，地震频繁，国家对抗震的要求不断提高，计算该桥不同烈度下抗震性能是有必要的。

该桥在主缆索安全系数足够大的情况下，刚性索塔底部设计是保证大震不倒的关键。就该桥而言，VII度（0.10g）地震烈度时，桥塔的安全系数是3.93；VIII度（0.20g）地震烈度时，安全系数降为1.04；VIII度（0.30g）地震烈度时，安全系数降为0.57，有倒塌的危险；而主缆索的安全系数始终在5以上。建议对于该类桥梁要注重桥塔的抗震设计，加强截面配筋，还可考虑使用变截面桥塔或者柔性桥塔。

参考文献：

[1]李国豪.桥梁结构稳定与振动[M].北京：中国铁道出版社，2008.4

[2]钱炜.柔性悬索桥静力分析及抗震性能研究[D]:[硕士毕业论文].合肥：合肥工业大学，2007.

[3]徐君兰．悬索桥[M]．北京：人民交通出版社，2004．

[4]公路桥梁抗震设计细则(JTG/TB02-01-2008)[S].

[5]R.克拉夫,J.彭津.结构动力学[M].北京：高等教育出版社，2008.

[6]秦权，罗颖.悬索桥上部结构抗震设计[J].清华大学学报（自然科学版），2008，38（12）：53-55.

作者简介：杜江梅1973年2月云南省公路开发投资有限公司副高级工程师道路工程技术，工程造价，合同管理