某大跨度斜拉桥抗震能力建模与分析

赵子鹏

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，太原030000）

1 引言

目前，随着我国经济实力的增强，桥梁作为道路交通网的重要枢纽，是工程建设的重要内容。 桥梁的构型需要根据建设功能、设计目的以及当地的水文地质条件进行选择。 其中，斜拉桥具有减小梁体内弯矩、降低建筑高度、减轻结构重量、节省建筑材料的优点，成为近年来热门的大跨度桥梁结构体系。

有学者研究指出，当斜拉桥跨径超过千米级别时，会面临主梁轴压力过大、桥塔高度过高、跨中刚度偏小等问题，其动力特性直接影响了抗震能力。 李培[1]等人基于ANSYS 做了斜拉桥承受动载荷的特性分析；王家嵩[2]采用反应谱法对斜拉桥进行了地震响应分析， 指出斜拉桥结构在不同方向地震波激励下最大响应特性有所不同；陈振涛[3]指出纵向地震激励对斜拉桥结构响应影响较为明显。 本文在总结斜拉桥的概念后，着眼地震对斜拉桥的破坏作用，通过有限元建模、子空间迭代法对某大跨度斜拉桥抗震能力进行了研究和分析， 以期为工程实际应用提供理论上的参考。

2 斜拉桥的概念

斜拉桥是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是由承压的索塔、受拉的斜拉索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系，可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁。

3 地震对斜拉桥的破坏作用

斜拉桥是柔性结构， 在地震的作用下会表现出复杂的动态特性。 地震对斜拉桥的破坏是巨大的，尤其是对于大跨径的斜拉桥，不仅会对桥基造成永久性的破坏，还会造成支座移位和滑脱、桥墩破坏、桥台肋板开裂等事故。 因此，需要对大跨度斜拉桥的抗震能力进行研究和分析。

4 斜拉桥实体工程有限元建模

本文选取某斜拉桥实体工程进行有限元建模。 该桥为双塔单索半漂浮形式，跨度760m，跨径组合为（ 180+400+180）m，桥面宽23m；主塔为倒Y 形钢筋混凝土结构，塔高169m；主梁采用单箱三室钢箱梁，梁高3.2m。

根据桥梁的总体布局，基于ANSYS 软件梁单元对该斜拉桥进行仿真建模，利用梁单元模拟主塔和桥墩，利用拉杆单元模拟斜拉索，模型如图1 所示。

图1 某斜拉桥实体有限元模型

5 地震参数选取

根据设计要求，该斜拉桥抗震等级为7 级，桥梁分类为A类，场地类别为I 类；地震加速度水平向峰值为A，水平地震系数取0.1；地震加速度竖向峰值取（ 2/3）A；地表的反应谱对应的阻尼比ξ=0.05。

假设地震加速度水平方向反应谱最大值为Smax，且可由式（ 1）表示：

式中，Ci为抗震重要性系数；Cs为场地系数；Cd为阻尼调整系数。

一般计算时取Ci=Cs=Cd=1，A=1.02， 可以计算得到Smax=2.205，于是，地震加速度的反应谱可以表示为式（ 2）所示形式：

式中，S为地震加速度的反应谱；T为结构自振周期；Tg为特征周期。

据此得出地震设计反应谱曲线如图2 所示。

图2 地震设计反应谱曲线

6 斜拉桥抗震能力分析

对于复杂的大跨距斜拉桥， 可以采用子空间迭代法来求解其低阶主振型。 子空间迭代法是求解n自由度体系前s阶振型、频率的方法，它同时利用多个线性无关的正交规范向量进行类似于乘幂法的迭代， 每迭代一次就得到一个新的子空间，并且在迭代过程中应用Rayleigh-Ritz 原理进行加速。 本文利用ANSYS 软件并应用该方法分析了斜拉桥左塔塔顶、左岸梁端、跨中、1/4 跨、右岸梁端、右塔塔顶等6 处关键部位的位移峰值和左右塔塔根以及中跨跨中的内力值， 所得数据如表1 和表2 所示。

表1 斜拉桥关键部位在地震波作用下的位移峰值mm

表2 斜拉桥关键部位在地震波作用下的内力值

通过以上数据可以看出，在设定强度的地震波作用下，关键位置的位移峰值满足规范要求， 对左右塔塔根和中跨跨中梁内力值进行分析，发现塔根及塔梁抗剪强度、抗压及抗弯强度都能够满足要求，表明斜拉桥具有一定的抗震特性。

7 结语

从目前的研究现状和发展趋势来看， 采用有限元建模并结合反应谱和子空间迭代法来分析斜拉桥的抗震特性， 具有一定的准确性。 在具体的工程实际分析过程中，还需要采用不同的地震波模型进行结构受力验算， 并与采用时程分析方法得出的结果进行对比，给出更准确的结论。