苏北地区大跨度斜拉桥结构选型及地震响应分析

张海峰

摘   要：桥梁连着你我他，在现代交通基础设施建设中发挥着至关重要的枢纽作用，但是其容易受到地震等自然灾害的破坏，影响交通行驶，甚至会造成人员生命安全以及财产损失，我国斜拉桥数量较多，本文基于地震导致桥梁病害甚至倒塌问题，分析大跨度斜拉桥桥梁地震响应，提出合适的斜拉桥桥梁结构选型，以增强桥梁的抗震性能，保障人们出行以及财产安全。

关键词：斜拉桥  结构选型  地震响应

中图分类号：TU311                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）08（a）-0014-02

现代交通越来越重视桥梁在地震作用下的行为状况，在一般的桥梁震害中，下部结构以及基础的破坏对于桥梁结构来说是致命性的，并且也会对灾后桥梁的修复重建造成极大困难，因此在桥型的选择以及桥梁的结构布置上应慎重考虑。

本文就斜拉桥地震响应进行分析，提出合适的斜拉桥桥梁结构形式，以增强桥梁抗震性能，与同业们一起学习探讨。

1  分析方法

虽然人类记录地震已有很长的历史，但是在进行结构设计的时候加入地震因素却只是从20世纪20年代开始。从许多的地震灾害资料中我们可以发现，避免或者减少地震灾害可以通过对结构进行合理的设计使其获得较强的抗震能力。我们可以通过研究结构抗震计算的地震力理论和确定抗震设计的破坏准则来对结构进行抗震能力的设计。

常规的小跨径以及非拉索支持的桥梁，其抗震能力设计主要考虑桥梁自重荷载以及机动车辆等活载作用，之后再校核地震和风荷载等环境荷载作用，但对于跨度较大的悬索桥或者斜拉桥，环境和使用这两种荷载同等重要，在一些地震频繁发生的区域，在初步设计时就认真地考虑地震荷载，进行专项的抗震结构设计。依据地震作用理论，目前广泛使用的三种确定性地震反应分析方法：静力法、反应谱法和动态时程分析法。

最早开始采用的一种分析方法是静力法，其假设结构物与地震动具有一个相同的振动，在做抗震设计时，把地面运动加速度作用下产生的惯性力当作是作用在结构上的静力，这样的分析方法简洁、单一、易于操作，但从系统的动力学角度来看的话，仅仅把地震加速度当作是结构受地震影响破坏的单个因素就有着较大的缺陷，因为静力法没有对地震运动的强弱与场地地质的优劣给出合理的反映，忽视了地震运动与结构动力两个特性。静力法只有在当结构的运动周期比地震运动周期小的多的多以及其在地震振动时几乎不产生变形，相当于刚体的时候，其分析研究才能成立，不满足这个条件，就无法使用静力法。

目前结构抗震设计时普遍运用的方法是反应谱法。反应谱法采用“地震荷载”的概念，同时兼顾地面运动特性和结构动力特性，相比较静力法有很大的进步。反应谱法抗震计算有三个基本的步骤：

（1）首先计算出设计用地震动反应值，根据强震几率统计分析绘制反应谱，建立结构振动方程;（2）然后将振动方程按振型分解，用上部所得反应谱求得物理位移最大值;（3）最后采用组合各振型反应最大值的方法，得到各项反应量的最大值。

反应谱理论有以下最基本的假定：结构具有线弹性的地震反应，可以叠加振型组合;结构所有支撑处的地震动完全相同;结构最大地震反应即为最不利地震反应;地震动的发展过程是平稳随机的过程。

反应谱法优点如下：概念比较简单、计算也很方便、数据量也不大，结构的最大反应值通过使用较少的计算量就能求得;地震谱可根据相关规范与地震危险性分析获得，之后计算工作重难点主要集中在如何分解结构振型方程，再通过恰当方法组合各振型反应最大值，从而求得结构反应的最大值，应用反应谱法分析可以求得比较满意的结果;反应谱法通过把动力问题转化为拟静力问题，专业技术人员容易接受，同时也方便操作。

随着地震记录资料的增多和计算机技术的深入运用而发展起来的一种社会普遍公认的精细度较高的分析方法是动态时程分析法。目前，绝大多数国家或地域对常见的中小跨径桥梁依旧使用反应谱分析方法计算，但对重要程度高、复杂系数大、跨度跨径大的桥梁抗震设计计算都建议使用动态时程分析法。动态时程分析法首先输入地震动（地震动加速度时程），建立地震动方程，使用多节点多自由度的结构有限元动力计算模型，运用积分法求解方程，计算地震发展过程中的每一个瞬时结构产生的位移、速度及加速度反应值，从而把结构在地震破坏下弹性或非弹性阶段的内力变化分析出来，一步步构建从开裂到损坏直至倒塌的全过程。这项计算工程非常庞大繁琐，需要应用专门的计算机应用程序来完成。动态时程分析法较精准地考虑了地基与结构之间的相互作用、地震动加速时程相位差及不同地震动加速时程多分量多点输入、结构的几何、材料、边界条件等各种非线性因素以及分块阻尼等问题。另外，该方法使得桥梁的抗震设计计算由单一的强度保证转变为强度与变形（延性）的双重保证，于此同时，专业技术工作人员也更加了解了结构受地震动力破坏的机理和如何提高桥梁抗震性能的有效途径。目前，针对大跨、复杂的桥梁，其地震动时程设计计算较多使用时程积分法。

时程积分法求解的一般步骤如下：

（1）将振动时程细分为一系列相等或不相等的微小时间间隔Δt：

（2）假定在Δt的时间间隔以内，结构位移、速度及加速度按照一定的规律变化（中心差分、常加速度、现行加速度、Newmarkβ法或者Willson-θ法等）。即可求解Δt+t时刻结构的地震反应。Δt+t时刻结构的动力平衡方程可以用以下的增量形式表示：

2  斜拉桥选型

2.1 斜拉桥的构造形式

斜拉桥有多种形式，从拉索的布置分类来说，有顺桥向布置以及横桥向布置。

横桥向布置的斜拉桥有三种形式，单索面形式、双垂直索面形式以及双斜索面形式。

除了索面的构造有所不同之外，索塔的布置也有所不同，当索面为单索面时，索塔的布置有独柱形、倒V形及倒Y形三种形式。

当索面为双索面时，索塔的布置主要有双柱式、门式、宝石形、倒V形、倒Y形及H形六种形式。

2.2 结构选型方法

对于桥梁的结构选型来说，需要考虑的因素有很多，比如造型、预算以及航运、空运的畅通等要求。通过以上方法从结构抗震的角度对斜拉桥的结构进行地震响应下的结果分析，选取一个较为安全的结构形式。

3  结语

斜拉桥作为一种新型的桥梁形式出现之后，由于其结构形式的优异以及跨度上的优势，在我国发展十分迅速，其动力性能的研究一直受到桥梁界的广泛重视。但是对于斜拉桥的抗震设计的资料十分匮乏，这主要是因为即便斜拉桥的数目增长很快，却没有任何一座斜拉桥有过强震的经验。因此，许多国家在80年代开始就投入了大量的科研力量在斜拉橋的地震反应分析上。经过了数十年的研究，现在人们对于斜拉桥的地震反应有了比较深刻的认识，也有了比较成熟的理论。因此，根据地震响应分析结果，结合相关理论，选择合适的斜拉桥桥梁结构形式，是保障桥梁抗震性能的有效途径。

参考文献

[1] 李雪峰.大跨度斜拉桥结构地震响应主动控制研究[D].合肥工业大学，2008.

[2] 张帅.钢箱—混凝土组合桥梁结构地震响应分析[D].西安建筑科技大学，2017.

[3] 何友娣，李龙安，阮怀圣.大跨度斜拉桥多点激励作用下结构地震响应分析[J].中国水运：下半月，2013，13（10）：250-251，268.