大跨度双塔双索面斜拉桥动力响应分析

翁雪峰, 章新雨

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

[定稿日期]2017-08-29

斜拉桥是一种由塔、梁、索三种基本构件组成的组合桥梁结构体系。作为一种拉索支撑体系，斜拉桥比梁式桥有更大的跨越能力，而在技术方案合理的跨径范围内，斜拉桥比悬索桥具有更好的经济性，线条纤秀，构造简洁，桥型优美。因此，尽管斜拉桥的出现历史较晚，但发展极为迅速，不到半个世纪就已经普及到世界各地。斜拉桥在我国也得到了很多应用，关于斜拉桥的成桥状态，以及其在自重、车载、地震作用下的结构分析，也受到了更多的关注[2]。特别是对双塔双索面斜拉桥安全运营评价还需要进一步研究，基于此，文章以某双塔双索面斜拉桥为例，利用大型有限元分析软件ANSYS，完成双塔三跨斜拉桥模型的建立，并分析其在自重、车辆活载、地震作用下的力学效应。

1 工程概况

文章所研究的桥梁为主桥长404 m的双塔双索面斜拉桥，跨径布置为105 m+194 m+105 m，索塔高度50 m，桥面宽度24 m，跨径布置如图1所示，主梁截面如图2所示。

图1 跨径布置示意(单位:m)

图2 箱梁截面示意(单位:m)

该斜拉桥选用双索面扇形布置形式，且为平行钢丝体系，其设计抗拉强度为1 670 MPa。

2 有限元模型的建立与分析

2.1 模型参数

文章运用限元软件ANSYS建立了三维有限元模型，主梁用空间梁单元Beam4模拟，桥塔用空间变截面梁单元Beam44模拟，斜拉索用空间杆单元Link10模拟，桥上的二期恒载用Mass21来模拟。

在建模过程中，斜拉桥的桥台、桥墩与地基之间采用固结模拟，拉索与主体之间采用刚性约束，斜拉桥的主梁和主塔的连接处用铰支座模拟。

该公路斜拉桥建模所采用的单元类型、主要参数列表及边界约束条件分别如表1～表3所示。

表1 单元类型参数

表2 材料参数

表3 结构构造尺寸参数

注：x为顺桥向，y为竖桥向，z为横桥向。

建立的三维有限元模型如图3所示。

图3 结构有限元模型示意

2.2 荷载效应

(1)该大桥主要技术标准：设计汽车荷载等级为公路-I级，设计车速为80 km/h。

(2)恒载效应主要考虑桥梁结构的自重以及二期恒载、拉索张力和预应力荷载。

(3)地震分析采用动态时程分析法[3]，本文地震波取天津波，利用地震时程相位差及不同地震多量多点输入模拟地震效果。表4给出部分加速度数据[4]。

表4 部分地震波加速度数据

2.3 荷载形式的影响

2.3.1 固有频率计算

通过在ANSYS中对该桥梁结构的有限元模型进行动力特性计算，可得到模型的固有频率及振型。表5列出了由ANSYS程序计算所得该公路斜拉桥成桥状态前10阶的固有频率及相应的振型特点。

2.3.2 自重作用下的位移

通过调整索力，使全桥在自重作用下符合成桥状态，并进行自重作用下的变形和应力分析(图4、图5)。

图4 自重作用下的变形

阶次频率/Hz振型特点10．39430主梁一阶竖向正对称弯曲20．60604主梁一阶横向反对称弯曲30．76232主梁一阶竖向反对称弯曲40．76237右塔横向弯曲50．76986左塔横向弯曲60．83702主梁二阶竖向反对称弯曲、整体纵向弯曲70．87002主梁二阶竖向正对称弯曲80．96386主梁一阶扭转正对称弯曲91．0110主梁一阶扭转反对称弯曲101．1249整体纵向弯曲

图5 自重作用下的应力分布

从图4、图5可以看出，自重作用下，竖向最大变形为0.0729 m，发生在跨中。最大应力为0.68 MPa，发生在跨中截面处，满足混凝土主梁最大竖向挠度不应大于L/500。斜拉桥的跨中挠度为正值，说明主梁在自重、二期恒戴作用下，梁体同时受到拉索索力、预应力共同作用，使得梁体跨中上拱，说明该斜拉桥在成桥时，具有一定的上拱度，这与该桥实际情况相符[5]。

2.3.3 移动荷载作用下的瞬态动力特性

车辆在桥上运行时会造成桥梁振动，同时桥梁对车辆也有作用[5]。当车辆以80 km/h运行时，主梁跨中振动变化如图6、图7所示。

图6 移动荷载作用下跨中挠度时程曲线

图7 移动荷载作用下跨中挠度速度时程曲线

当车辆在桥上运行时，跨中截面的挠度不断的发生着变化，当运行至跨中时，竖向挠度达到最大，在成桥的基础上，下降了0.005 m。

2.3.4 地震作用下主梁振动变化

该地区地震波取天津波，以加速度的模拟方式输入，跨中截面与塔顶的振动情况如图8～图11所示。

图8 地震作用下跨中截面竖向的振动时程曲线

图9 地震作用下跨中截面纵桥向的振动时程曲线

由图8～图11可以看出，地震波的作用下，主梁跨中截面纵桥向振动不激烈，但主梁跨中截面竖向发生剧烈振动，最大振动2.186 m，桥面已经损坏。对桥塔顶部，横桥向振动不激烈，但纵桥向剧烈振动，最大振动0.875 m。

3 结论

(1)计算过程中发现，主梁在自重、二期恒载、拉索索力、预应力共同作用，梁体跨中上拱，在成桥时，具有一定的上拱度。

(2)当有汽车荷载作用在桥上，二者会发生耦合作用，当行车至中跨跨中时，震动最强，造成的竖向挠度最大。当列车运行至中跨跨中时，造成的震动最为激烈。

图10 地震作用下塔顶纵桥向的振动时程曲线

图11 地震作用下塔顶横桥向的振动时程曲线

(3)斜拉桥是拉索支撑体系，当发生地震时，塔顶和主梁会发生剧烈振动，使拉索断裂或者拉索索力失效，从而造成主梁或主塔的断裂。

(4)我国西南地区属于地震多发地带，在车辆荷载、风荷载的共时作用下，带来的破坏更大，所以设计时对大跨径的斜拉桥进行必要的抗震等动力响应分析是非常必要的。

[1] 陈秉玲. 国内外大跨径桥梁发展概况[J]. 城市道桥与防洪，1997(2):33-40.

[2] 范立础. 桥梁工程：上册[M].北京：人民交通出版社，2001

[3] 刘丰. 大跨度桥梁抗震分析中的有限元方法[J]. 中国科技信息， 2007(19):46-47.

[4] 周建春， 刘光栋. 大跨度公路桥梁抗震分析研究[J]. 桥梁建设，1998(1):5-9.

[5] 李小珍，蔡婧，强士中. 芜湖长江大桥斜拉桥的车桥耦合振动分析[J]. 铁道学报，2001，23(2):70-75.