大跨度公轨两用单索面钢桁梁斜拉桥地震响应参数分析

曾 勇，曾渝茼，谭红梅

(重庆交通大学 a.山区桥梁及隧道工程国家重点实验室,b.山区桥梁结构与材料教育部工程研究中心，重庆 400074)

近年来公轨两用跨江、跨河的特大桥数量增多，单索面钢桁梁双塔斜拉桥因其跨度大、结构新颖成为主要选择之一.公轨两用大跨度单索面钢桁梁双塔斜拉桥结构新颖，地震响应复杂，抗震设计难度大，特大桥必须进行抗震设计[1]，且目前我国规范没有对单索面钢桁梁双塔斜拉桥抗震设计进行详细规定.

许多学者就斜拉桥结构参数变化对其地震响应的影响做了一些研究.文献[2]利用反应谱法对某大跨度斜拉桥边墩横向抗震体系进行了研究，得到了减震体系和全限位体系的适用范围；文献[3]利用反应谱法对变塔梁连接参数进行了地震反应研究，发现单独使用阻尼器可以优化大跨度斜拉桥减震效果；文献[4]利用反应谱法对矮塔斜拉桥进行了变结构参数的地震响应分析，发现墩梁连接方式和桥梁设计半径均对矮塔斜拉桥地震反应有很大影响；文献[5]研究了超大跨度斜拉桥的结构弹性模量变换对地震响应的影响；文献[6-12]对其他类型桥梁的结构参数变化对其地震响应的影响也进行了研究.这些研究表明：桥梁结构参数变化对地震响应的影响研究具有一定的科学性，但目前还没有学者对公轨两用大跨度单索面钢桁梁斜拉桥结构参数变化对地震响应影响进行研究.因此，研究公轨两用大跨度单索面钢桁梁双塔斜拉桥结构参数对地震作用的影响，寻求减小其地震响应的措施，提高抗震性能，具有十分重大的工程意义.

本文作者以某公轨两用单索面钢桁梁双塔斜拉桥为背景，利用桥梁有限元结构分析软件Midas/Civil建立多个全桥3D有限元模型，使用反应谱法分析索塔刚度、钢桁梁刚度、辅助墩数量以及结构体系对于该桥地震作用的影响.桥型相同桥梁的地震响应规律相似，对公轨两用单索面钢桁梁双塔斜拉桥进行地震响应参数分析，可以为后续工程提供参考.

1 工程背景

某公轨两用单索面钢桁梁双塔斜拉桥位于山城重庆，跨越长江，连接渝中区和南岸区，跨径组合为(222.5+445+190.5)m，全长858 m，见图1.

采用半漂浮体系，仅一侧塔设置纵向约束，另一侧纵向自由.天梭式桥塔造型优美，南岸侧桥塔高162 m，渝中侧桥塔高172 m，采用C50混凝土.主梁上下层布置，上层为公路双向四车道，下层为双向轨道交通，主梁断面见图2.采用正交异形桥面板，宽度最小为24.5 m，最大为37 m.选择Strand1860平行钢绞线作为斜拉索，呈单索面稀索体系.地震设计烈度为Ⅵ度，最大设计平均风速为26.7 m/s.

2 有限元模型

使用Midas/Civil建立全桥空间有限元模型，模型节点数量为17 846，单元数量为30 128，已达到足够的精度，其中塔、辅助墩、临时墩、钢横梁采用梁单元模拟，斜拉索采用仅受拉的单元模拟.为了比较准确地反映桥塔的受力情况，各个构件截面特性按照结构实际尺寸进行取值.公路、铁路荷载及车桥耦合可通过在上层桥面设置汽车荷载和下层桥面设置列车荷载来实现.原结构的边界条见表1.

表1 原结构边界条件

3 地震响应参数分析

3.1 地震响应分析

根据Ⅱ型场地类别、设防烈Ⅵ度、特征周期0.35 s、基本水平地震加速度0.028g、阻尼比取0.05,设计反应谱，谱的加速度峰值为0.063g，选择CQC振型组合类型，设置横桥向和顺桥向的地震工况.先对结构参数不变的桥梁地震作用变形进行分析，以探究对地震作用敏感的截面，并得出该桥在地震作用下的响应规律.当发生地震时，桥梁会产生变形，横向、顺桥向和双向地震作用下的桥梁变形见图3.

由图3(a)可知：

1)在横向地震作用下，桥梁发生的变形为主梁中跨横弯，说明钢桁架梁的横向刚度较低.当发生地震时，由于中跨跨度大于边跨而发生横向较大的变形.

2)单索面设计虽然具有造型优美、行车视野开阔等优点，但与双索面斜拉桥相比，单索面斜拉桥主梁刚度会更低.钢桁梁比混凝土梁具有更强的刚度、强度及稳定性.为了避免横向地震作用下主梁发生较大的横向变形，应该适当提高主梁的横向抗弯强度.

由图3(b)可知：

1)在顺桥向地震作用下，桥梁的边、中跨均发生竖弯，而桥塔也发生同向侧弯.这说明钢桁梁的竖向抗弯刚度较弱，应充分重视.

2)在梁与塔的交界处，梁体发生了不平滑下弯，梁体会出现应力集中现象.发生这种现象的原因是因为塔与梁之间交界处并不是完全分开的半漂浮体系.一般来说，半漂浮体系结构较柔，有利于地震作用下的桥梁反应，但本桥在顺桥向地震作用下反应出来的效果与之相反.

3)索塔发生侧弯和梁体发生竖弯，符合顺桥向地震荷载作用下的双塔斜拉桥变形规律，该桥的整体设计是科学的.

由图3(c)可知：

1)在双向地震作用下，桥梁的中跨发生横竖弯耦合，边跨发生横弯，索塔发生轻微侧弯，总体形状与仅在横向地震作用下的桥梁变形形状相似，说明横向地震荷载下桥梁的变形要比顺桥向地震荷载作用下桥梁的变形要大.

2)横向地震作用和顺桥向地震作用的叠加系数相当，但变形较仅在顺桥向地震荷载下小，与仅在横向地震荷载作用时相似，这说明桥梁抵御横向地震荷载的能力相对较弱，应采取措施弥补.

3)索塔在双向地震作用下的变形却不那么明显，证明索塔抗弯和抗震强度有一定的保障，天梭型桥塔设计不仅造型美观而且性能良好.

3.2 控制截面的选取

在主梁上选取几个控制截面，控制截面见图4.其中，A-A截面为主梁左边跨跨中，B-B截面和D-D截面为主梁中跨1/4截面，C-C截面为主梁中跨跨中，E-E截面为主梁右边跨跨中，下面简称A-A截面为A截面，依次类推，选择每个控制截面处选出2根上弦杆和2根下弦杆作为研究对象，5个控制截面共20个研究对象.

主梁刚度、索塔刚度、辅助墩数量和结构体系的参数变化，理论上来说可以使用有限元软件实现，但从实际工程角度出发，实现的难度也不大.因此，改变桥梁的索塔刚度、主梁刚度、辅助墩数量、结构体系，研究桥梁的地震响应.

3.3 改变索塔刚度

在原结构的基础上，索塔的刚度系数分别取0.8、1.2、1.4、1.6，研究在地震荷载下各控制截面处的4根杆件的位移和轴力变化，以寻求优化桥梁抗震设计的方法.地震作用下索塔刚度变化对各控制截面杆件位移和轴力的影响见图5.图5中，A1—A4、B1—B4、C1—C4、D1—D4、E1—E4分别表示截面A—E中每个截面的4根控制杆件.

由图5可知：

1)索塔刚度改变时，地震作用下各控制截面处杆件的位移变化不大，趋于平稳，最大变化率为14.5%(杆件E3)，对主梁位移的变化影响总体较小；索塔刚度变化时，地震作用下各控制截面处杆件的位移变化没有规律，单一改变索塔刚度不能对桥梁整体产生规律性影响.

2)索塔刚度改变时，地震作用下各控制截面处杆件的轴力均发生了变化，对于C2杆件，索塔刚度系数从0.8上升至1.0时变化率为最大，轴力减小了28.8%.除杆件A3、A4、B1、B2、E3、E4轴力变化率超过了25%外，其他杆件轴力变化率未超过15%，有增大也有减小；索塔刚度变化时，地震作用下各控制截面处杆件的轴力变化并不一致；各个杆件轴力最大的为杆件C3，变化率仅3.3%.

3)通过改变索塔刚度，可以优化地震作用时主梁少量杆件的位移和轴力，但不能从根本上优化桥梁抗震设计，在后续该桥型的设计中采用提高索塔刚度的方法来优化桥梁的地震响应并不经济.

3.4 改变主梁的刚度

在原结构的基础上，主梁的刚度系数分别取0.8、1.2、1.4、1.6，研究地震作用下5个控制截面处杆件位移和轴力的变化，以寻求优化桥梁抗震设计的方法.地震作用下主梁刚度变化对各控制截面杆件位移和轴力的影响见图6.

由图6可知：

1)随着主梁刚度的增加，地震作用下各个控制截面处杆件的位移均呈下降趋势，位移最大减少了36.8%(杆件B1)，最少为28%(杆件E1).可见，地震作用下主梁刚度的变化对于桥梁位移有明显的优化；主梁刚度改变时，地震作用下桥梁的位移成规律变化，主梁刚度的增加可以对地震时桥梁的位移产生一致的优化.

2)随着主梁刚度的增加，地震作用下各控制截面处杆件的轴力均受到影响；最大增长率为17.6%(杆件B3)，最大减小率为7.9%(杆件D4)；主梁刚度的增加后，有的杆件轴力会增加，有的杆件轴力会减小，但轴力变化率的范围不大.

3)通过增加主梁的刚度，可以对地震作用下桥梁位移进行大幅度优化，虽然并不能优化地震时主梁的轴力，但地震时截面杆件轴力变化范围较小.因钢桁架主梁具有足够的强度，轴力变化对桥梁性能影响甚微；由此可见，通过改变主梁的刚度，可以对该桥型的抗震设计进行优化.若需将该桥型应用到抗震烈度更高的地区，可以采取增加主梁刚度的措施以满足抗震设计.

3.5 改变辅助墩的数量

在原结构的情况下，改变辅助墩的个数为2、4、6，研究在地震荷载下5个控制截面处杆件位移和轴力的变化，以寻求优化桥梁抗震设计的方法.地震作用下辅助墩数量变化对各控制截面杆件位移和轴力的影响见图7.

由图7可知：

1)在地震作用下辅助墩数量的变化对各控制截面处杆件的位移均有影响，当辅助墩为4个时，各截面的位移发生了异常的变化，应除去此情况进行分析.辅助墩由原结构改变为2、6个时，在地震作用下的各控制截面处杆件的位移均有较大幅度的下降，最大下降率为55.9%(杆件C2)，最小下降率为34.6%(杆件D3).增加辅助墩可以对地震时桥梁的位移进行优化，但需要注意的是，随意增加辅助墩可能会使结构发生不稳定的变化.

2)地震作用时辅助墩数量的变化对各控制截面处杆件的轴力均有影响，当辅助墩为4个时，各截面轴力发生了异常的变化，应排除此情况进行分析；随着辅助墩数量的增加，地震作用下各控制截面处杆件的轴力变化规律并不一致；辅助墩由0变为6个时，出现了轴力降低率最大值和轴力增加率最大值，轴力减低率最大为70.2%(杆件E3)，轴力增加率最大为11.7%(杆件B1)；由此可见，改变辅助墩数量可以使主梁绝大部分杆件轴力进行优化.

3)增加辅助墩可以对桥梁地震作用时的位移进行优化，对于桥梁的大部分杆件轴力有很大的减小作用；值得注意的是，随意增加辅助墩可能会对桥梁地震作用下的位移、轴力造成异常的影响.因此，增加辅助墩可以对桥梁抗震设计进行优化.

3.6 改变桥梁结构体系

其他参数不变，将原为半漂浮体系的桥梁分别改为漂浮体系、塔梁固结体系、刚构体系，研究在地震作用下5个控制截面处杆件位移和轴力的变化，以寻求优化桥梁抗震设计的方法.地震作用下结构体系变化对各控制截面杆件位移和轴力的影响见图8.

由图8可知：

1)漂浮体系相对于其他几种体系，在地震作用下的各截面杆件的位移较大.由半漂浮体系变为刚构体系后，在地震作用下各截面的位移有所增加，增加率最高为185.2%(杆件A2).由半漂浮体系变为塔梁固结体系后，在地震作用下各截面的位移有所下降，降低率最高为23.1%(杆件A1).

2)漂浮体系相对于其他几种体系，在地震作用下的各控制截面处杆件的轴力较大；由半漂浮体系变为刚构体系后，在地震作用下各截面的处杆件轴力有所增加，增加率最高为30.4%(杆件B1)；由半漂浮体系变为塔梁固结体系后，在地震作用下各截面的轴力均有所下降，降低率最大为37.0%(杆件D1)，可见塔梁固结体系对轴力的优化最好.

3)在地震作用下漂浮体系相对于其他体系抗震效果更差，刚构体系在地震作用下会比半漂浮体系产生更大的位移和轴力；塔梁固结体系表现最好，在地震作用下的位移和轴力均为最小，抗震设计时应综合考虑，若塔梁固结体系在正常运营状态下的各种表现比半漂浮体系好，则可以选择此体系来对桥梁抗震进行优化.

4 结论

大跨度公轨两用单索面钢桁梁斜拉桥结构复杂、造型独特，对其进行地震响应参数分析，可以确保结构安全，并为同类工程的设计、施工提供参考.本文对某斜拉桥的地震响应参数进行分析，可得出以下结论：

1)横向地震作用下桥梁的变形比顺桥向地震作用下桥梁的变形要大，桥梁抵御横向地震荷载的能力相对较弱；双向地震作用下，桥梁的中跨发生横竖弯耦合，边跨发生横弯，索塔发生轻微侧弯，天梭型索塔对抗弯和抗震强度有一定的保障.

2)在地震作用下漂浮体系相对于其他体系抗震效果更差，刚构体系在地震作用下会比半漂浮体系产生更大的位移和轴力；塔梁固结体系表现最好，在地震作用下的位移和轴力均为最小，抗震设计时应综合考虑，若塔梁固结体系在正常运营状态下的各种表现比半漂浮体系好，则可以选择此体系来对桥梁抗震进行优化.

3)提高主梁的刚度和增加辅助墩数量可以提高公轨两用大跨度单索面钢桁梁斜拉桥的抗震性能，将桥梁建设在更高抗震要求的地区时，可以采取增加钢桁架梁的刚度和增加辅助墩数量的措施来满足桥梁抗震设计要求.