中央扣对悬索桥抗震性能的影响研究

张 波 郑宇欣

（四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610031）

0 引言

大跨度悬索桥是一种柔性结构，主梁在纵桥向一般为漂浮体系，汽车活载、制动力、风荷载及地震等作用下，主缆和主梁都会产生纵桥向位移，且缆、梁位移不同步，引起吊索弯折[1]。在跨中附近由于吊索最短，弯折现象将更加明显。为了减小活载引起主梁的纵向位移和风振等引起跨中短吊索的弯折、疲劳问题，目前国内类似工程常在跨中设置中央扣拉索[2]。

常用中央扣分为刚性中央扣和柔性中央扣[3]，此外针对地震荷载效应突出的特大悬索桥，也有采用屈曲约束支承的阻尼中央扣[4]。本文就中央扣对悬索桥抗震性能的影响进行研究。

1 中央扣方案

为对比不同的中央扣体系对主桥抗震性能的影响，分别建立无中央扣、刚性中央扣、柔性中央扣及阻尼中央扣4 个空间动力计算模型。其中刚性中央扣采用H 型Q355钢材，高度0.65m，宽度0.64m，板厚0.03m；柔性中央扣采用单根265Φ5.0mm 高强平行钢丝吊索；阻尼中央扣采用屈曲约束支撑杆件，屈服承载力5000kN，极限承载力7000kN，屈服前刚度500kN/mm，屈服后刚度15kN/mm。中央扣方案见表1所示。

表1 中央扣方案比较

2 某实桥案例分析

2.1 工程概况

本桥为主跨1060m 单跨钢桁架梁悬索桥，主缆跨径组成为172m+1060m+260m。两根主缆中心距为27.5m，成桥状态下的中跨垂跨比为1∶9。桥塔侧吊索距桥塔中心线水平距离为20m，其余吊索标准水平间距为15m。总体布置如图1 所示。E2 地震内力采用非线性时程计算，主塔塔柱关键截面如图2所示。

图1 桥跨总体布置图

图2 主塔关键截面示意

2.2 有限元模型

结构纵向整体采用有限元分析软件MIDAS/CIVIL进行空间三维建模，对结构按规范计算分析。

主缆与主塔之间的连接采用主从节点模拟；主梁支座采用弹性连接模拟；主塔桩基根据桩土作用按节点弹性支撑模拟、主缆端部设固结约束。全桥共离散为9786个节点，10926个梁单元，1688个板单元，352个索单元，16个桁架单元。结构离散模型如图3所示。

图3 整体有限元计算模型

2.3 动力特性对比

分别建立方案A~方案D 的动力计算模型，得出各方案的振型，通过对比可知：各方案第一阶振型均为主梁对称横弯，且4 个方案频率基本一致；第二阶振型均为主梁纵飘+反对称竖弯，设置中央扣后，刚性中央扣、柔性中央扣、阻尼中央扣方案与无中央扣方案相比，频率提高比例分别为10.69%、10.62%、10.77%，可见中央扣对主梁纵飘有一定的限制作用；同时，中央扣对提高主梁的反对称扭转刚度效果明显，设置中央扣后，刚性中央扣、柔性中央扣、阻尼中央扣方案与无中央扣方案相比，反对称扭转频率提高比例分别为17.87%、15.81%、18.36%。根据抗风设计规范，反对称扭转频率越大，则悬索桥的静风横向失稳临界风速越大，表明中央扣对提高主梁横向抗风稳定性的积极作用越强。各方案主梁不同模态基频对比见表2。

表2 各中央扣方案结构基频对比（单位：Hz）

2.4 主塔E2地震纵向内力对比

分析塔柱在纵桥向的边界约束，塔柱在塔顶受主缆的弹性约束，在塔底受基础的固结约束，而塔柱中间为自由状态，因此地震下塔柱的最大纵向位移出现在塔柱约3/4 的高度处。E2 时程作用主桥纵向最大位移和最小位移如图4 所示。刚性、柔性、阻尼中央扣方案与无中央扣相比，宁南侧塔柱最大纵向位移分别增加了32.8%、27.1%、30.7%，而巧家侧塔柱最大纵向位移分别减小了-30.5%、-25.6%、-30.4%。表明设置中央扣后，宁南侧塔柱纵向地震响应增大，而巧家侧塔柱纵向地震响应减小。各方案塔柱纵向位移对比见表3。

图4 E2时程作用主桥纵向最大、最小位移示意图

表3 E2时程作用下各个方案塔柱最大纵向位移对比（单位：mm）

对比E2 时程作用下各方案塔柱纵桥向内力，以塔底截面为例，刚性、柔性、阻尼中央扣方案与无中央扣相比，宁南侧塔底截面弯矩分别增大34.8%、29.3%、32.0%，剪力分别增大12.0%、15.7%、11.1%；巧家侧塔底截面弯矩分别减小-25.8%、-22.0%、-25.1%，剪力分别减小-23.0%、-20.4%、-22.8%。

各方案主塔关键截面纵向弯矩计算结果见表4；各方案主塔关键截面最不利剪力计算结果见表5。

表4 恒+E2时程下各方案横梁最不利弯矩对比（单位：kN·m）

表5 恒+E2时程下各方案横梁最不利剪力Fz对比（单位：kN·m）

2.5 中央扣动力对比

E2 地震作用下，刚性中央扣的最大拉应力为523MPa，最大压应力为-597MPa，柔性中央扣的最大拉应力为2156MPa，最大压应力为-2225MPa，远超过两者的承载能力。对于普通的刚性中央扣，由于其屈服后受压时产生失稳屈曲，其滞回耗能作用无法准确衡量，因此刚性中央扣计算时不考虑其耗能作用。而对于柔性中央扣，一方面由于其材质为高强度钢丝，另一方面受压时会退出工作，因此也不具备耗能性能。

阻尼中央扣采用屈曲约束支撑杆件，E2 地震作用下，轴力超过5000kN 后进入屈服状态，屈服前刚度500kN/mm，屈服后刚度15kN/mm。由于其屈服后刚度很小，因此屈服后轴力增加受到控制，经计算E2 地震作用下阻尼中央扣最大拉力为5273kN，最大压力为-5307kN，满足受力要求。

3 结束语

通过对方案A~D4种中央扣方案对比计算，可以得出以下结论：

（1）中央扣可提高主梁的纵飘振型及一阶反对称扭转的频率，其中方案D 阻尼中央扣提高的比例最高，方案C 柔性中央扣提高的比例最低。表明中央扣对减小主梁纵向位移及提高主梁横向抗风稳定性有积极作用。

（2）设置中央扣后，会造成宁南侧塔柱纵向地震响应增大，而巧家侧塔柱纵向地震响应减小。方案B~方案D不同中央扣方案对塔柱地震内力的影响相当。

（3）刚性中央扣及柔性中央扣方案存在地震内力过大，承载力无法满足的问题。而阻尼中央扣进入屈服状态后内力增加受到控制，承载力可满足抗震需求。

综上所述，该实桥宜采用方案D，即阻尼中央扣方案。