三塔悬索桥的结构体系以及抗震性能的论述

周志强

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

悬索桥是由主缆、加劲梁、主塔、鞍座、锚碇、吊索等构件构成的柔性悬吊组合体系，具有两大优点：跨度大，经济性能良好，其中主缆是承受张力的主要构建，主塔主要功能是承载竖向荷载，桥梁结构体系决定了其动力反应规律。经过多年的发展，我国已经建立起多座大跨度三塔悬索桥，比如马鞍山长江公路大桥、泰州长江公路大桥等等，为我国经济发展提供了足够的动力[1]。笔者根据多年的工作经验，结合具体的工程实例，采用有限元软件对悬索桥进行建模分析，分析了4种结构体系的优缺点，然后采用反应谱和时程分析法对该桥的动力特性及地震反应进行了分析，具有一定的现实意义和参考价值。

1 工程概述

某大桥采用三塔悬索桥结构体系，主桥桥跨结构布置(380+1 080+1 080+420)m的双主跨三塔悬索桥。桥面设置六车道，两根主缆之间横向间距35.8 m，桥状态矢跨比为1∶9，加劲梁采用封闭式流线型扁平钢箱梁，其中边塔和中塔参数如表1所示。

表1 边塔和中塔参数一览表 m

横向为门式框架结构，纵向为人字形，索塔内侧壁和主梁之间安装横向抗风支座，纵向设置弹性索。三塔悬索桥总体布置图如图1所示。

图1 三塔悬索桥总体布置图（单位：m）

2 结构动力分析模型建立

三塔悬索桥主要在两塔悬索桥主跨的中部支起一个桥塔，可以大大减小主缆和两端锚碇受力，所以三塔悬索桥的结构设计要解决3个问题：中塔顶鞍槽内主缆的抗滑稳定、全桥结构刚度、中塔的强度。本工程采用脊梁模式，对桥梁建模时将梁刚度和质量集中在单元节点上，节点和绳索之间采用刚性连接，连接刚度为6.4×105kN/m，采用有限元软件Midas进行计算分析，主梁、主塔、桥墩都用空间梁单元模拟，三维有限元模型图如图2所示。

图2 大桥三维有限元模型图

3 三塔悬索桥结构体系分析

三塔悬索桥的结构体系包括4种：塔梁固结结构、支座约束结构、半飘浮结构和全飘浮结构，三塔悬索桥主要分析中塔顶鞍槽内主缆的抗滑稳定、全桥结构刚度、中塔强度、加劲梁受力、主缆受力、吊索受力、弹性索受力以及支座反力等结构变形与内力。

3.1 中塔顶鞍槽内主缆的抗滑稳定

中塔顶鞍槽内主缆的抗滑稳定是主要解决的问题之一，悬索桥一主跨满载，另一主跨空载会造成两侧主缆缆力差值过大，导致抗滑安全系数过小，常规安全系数一般在2.0以上才能保证桥梁的安全性和可靠性。提高鞍槽内主缆抗滑安全系数，就应该减少鞍座两侧缆力差值。以主跨八车道满载，另一主跨空载，进行模拟试验可得表2。

表2 中塔顶鞍槽内主缆抗滑试验

如表2所示，塔梁固结的安全系数为2.555，最高，支座约束安全系数，其次，为2.151，也能满足安全要求，半飘浮安全系数为2.220，大于2.0，只有飘浮结构体系的安全系数小于1.876，不能满足要求[2]。

3.2 全桥结构刚度

三塔悬索桥全桥结构刚度和常规桥体比较要小得多，所以应该加强全桥结构刚度设计，将加劲梁活载挠跨比和活载梁端竖弯转角控制在一定范围内，满足行车舒适度的要求。通常情况下，挠度比应该不大于1∶250，加劲梁变形及全桥结构刚度实验结果如表3所示。

表3 加劲梁变形及全桥结构刚度一览表

如表3所示，塔梁固结结构在最大挠度最小，挠跨比（1∶290）最小，最大上拱最小，梁端转角和两端上坡都是最小的，其性能最好，将加劲梁活载挠跨比和活载梁端竖弯转角都控制在了一定范围内，满足要求。

3.3 中塔强度

三塔悬索桥独特的力学特性使得中塔受力较为不利，当悬索桥一主跨满载，另一主跨空载会使得中塔成为大偏心受力构件[3]，由于本工程桥梁上段为钢结构，下段为预应力混凝土结构，所以其中塔强度试验如表4所示。

表4 中塔强度

钢结构容许应力为240 MPa，从表4可以看出只有塔梁固架结构能够满足应力要求，最大应力为231 MPa，满足实际要求，其他集中结构体系都很难满足实际设计要求。

3.4 结论分析

塔梁固结结构体系抗滑安全系数最高，结构刚度最大，中塔钢结构段应力在容许范围内，抗风与抗震性能优于飘浮体系，不需要设置支座。

4 三塔悬索桥地震反应分析

通过结构体系分析，可知道本工程采用塔梁固结结构体系。根据《公路桥梁抗震设计细则》拟建大桥及控制性构筑物宜按地震基本烈度提高一度，采取Ⅶ度设防，本工程震动加速度峰值取为0.2g。

4.1 地震输入

本工程采用反应谱和线性时程分析法，进行了地震反应分析，地震模拟图如图3所示。

图3 地震输入模拟图

地震波形如同信号中的白噪声，竖向地震动加速度反应谱值取水平地震动加速度反应谱值的65%，定量分析时，采用一致地震动，输入方式直接在基底输入地震波。

4.2 水平地震作用下反应特点

在纵向地震输入的作用下，振型组合采用CQC方法，取前600阶振型，对边塔、中塔和主梁位移进行测定，如图4所示。

图4 横向地震作用下结构的位移图

如图4所示，在横向地震作用下，边塔、中塔和主梁均有所位移，主要表现为横向位移，其中边塔和中塔位移和塔高呈线性相关关系，边塔和中塔最大位移出现在塔尖，主缆对塔体横向约束力较小，应该注重主塔和衡量之间的连接。主梁在纵向地震作用下，呈现一种“M”形状[4]。

4.3 纵向地震作用下反应特点

在纵向地震输入的作用下，振型组合采用CQC方法，取前600阶振型，对边塔、中塔和主梁位移进行测定，如图5所示。

图5 纵向地震作用下结构的位移图

如图5所示，在纵向地震作用下，边塔、中塔和主梁均有所位移，主要表现为纵向位移，从图5a中可以看出，中塔位移和塔高呈线性相关关系，随着塔高的不断增加，位移不断增加。边塔位移和高度呈非线性关系，在2/3处达到最大位移，说明主缆对边塔的影响比较大。由于塔面呈现上小下大的结构，所以边塔在2/3处容易成为抗震薄弱的地方。主梁在纵向地震作用下，呈现一种“V”形状，所以主梁位置的选择十分重要。

4.4 注意事项

经过以上分析，抗震设计过程中过分重视横向和纵向地震影响，但是由于忽视了竖向地震动对主梁的弯矩和边塔塔底动轴力的作用，竖向地震动往往不控制抗震设计而经常不被重视，所以应当重视竖向地震动对结构抗震性能的影响。

5 结语

本文通过某一具体实例，结合具体工程，对三塔悬索桥进行了建模分析，然后具体讲述了结构体系选择和对抗震性能进行了分析，具有重要的现实意义。