李玉涛，郭青伟

（1.河南工业职业技术学院 建筑工程系，河南 南阳 473009；2.南阳师范学院 土木建筑工程学院，河南 南阳 473061）

0 引言

目前，桥梁抗震向着基于位移、性能的方向发展。 各国本国根据国情，制订了不同的设防水准和设计方法。 例如，我国在城市高架桥抗震设计中就提出了基于位移的3 级抗震设防原则[1]。 其中规定，当遭受高于本地区抗震设防烈度的预估罕遇地震影响时，结构严重损伤，但不致倒塌，经加固后可恢复交通[2]。 由此可知，若要保证特大地震下结构的安全性，必须研究地震作用下结构的破坏模式。 借助大型有限元分析程序ADINA，以润扬长江公路大桥南汊大跨度悬索桥(简称为润扬悬索桥)设计方案为背景，对地震作用下大跨度悬索桥桥塔横向位移模式及其特征展开探讨。

1 建立大桥计算

润扬长江公路大桥是连通镇江至扬州的跨越长江的特大型桥梁工程，其中南汊为大跨度悬索桥（简称为润扬悬索桥），北汊为大跨度斜拉桥，南北汊之间的引桥为连续梁桥。

润扬悬索桥采用简支单跨体系，主跨1 490 m，主梁两端采用滑动支座支承在主塔的下横梁上。 主梁采用封闭式流线型扁平钢箱梁，宽33.9 m，中心线处梁高3 m。 两根主缆横向间距为33.9 m，由平行镀锌高强钢丝索股组成，每根主缆面积为0.4735 m2，连接主缆和主梁的吊杆纵向间距为16 m。

塔身采用门式框架混凝土结构，两根塔柱距塔顶处为34.3m、距塔根处为41.34m，呈直线变化。 南塔高207.23 m，北塔高209.93 m（不含鞍座高度）。每座塔设有上、中、下3 道横梁。

在润扬桥动力分析模型中，主塔以可以考虑梁柱效应的三维弹塑性梁单元模拟，其本构模型以弯矩-曲率关系曲线表达。 主缆、吊杆采用可以考虑几何大位移的索单元模拟，并考虑恒载作用下的重力刚度。 加劲梁采用脊梁模式，以弹性三维梁单元模拟。 主梁与主塔支座的连接以主从关系处理，即主梁横桥向、竖向及绕桥轴方向的转动自由度与主塔横梁构成主从关系，另外3 个自由度自由。 主缆与主塔顶构成主从关系，塔底、锚碇与地面固结。 数值模拟过程采用直接积分法进行[3]。 润扬悬索桥的全桥动力计算模型如图1 所示。

图1 润扬悬索桥全桥动力计算模型Fig.1 Whole bridge dynamic calculation model of Runyang suspension bridge

2 地震动力输入大桥模型

地震动力具有强烈的随机性， 它发生的时间、空间、强度、频谱成分、波形等都是不确定的。 时程分析是确定性分析过程，分析结果对所选取的地震波时程的依赖性较大，不同的地震时程得到响应的结果可能相差几倍。 如果地震动输入不合理，其结论或结果就失去了意义。 因此，为了能够正确反应大跨度悬索桥具有普遍意义的破坏特征，直接选取了大量的实际强震记录作为输入的地震激励。

表1 地震波选取记录表Table 1 Seismic wave selection record

选取4 类场地上的地震波总共31 条（如表1 所示），其中I、II 类场地各6 条，III 类场地9 条，IV 类场地10 条。地震等级按0.2g、0.8g 增加地震动幅值，沿着桥梁的横向输入地震波。

3 大桥墩塔位移模型分析

大跨度悬索桥桥塔，纵向为塔顶受到弹性约束的独柱，横向为框架结构。 本文借助大型有限元分析程序ADINA，建立润扬悬索桥全桥模型，采用四类场地下共计31 条地震波沿桥梁横向输入，地震等级采用0.2g、0.8g 两个幅值，进行地震作用下大跨度悬索桥横向性能分析。 在此基础上，对地震激励下框架式墩塔的位移特征进行研究。

在地震波横向作用下，润扬桥南、北桥塔响应基本类似，因此，以北桥塔为对象，考察桥塔的位移形态特征模式及其特点。

对悬索桥进行动力时程分析，在横向输入模式下，通过对悬索桥框架式桥塔的横向位移包络图的对比可知，悬索桥桥塔的振动形态都遵循一定的规律，即桥塔的横向最大位移发生在塔顶。 这里以润扬悬索桥在地震波F4-1 和F8-2 激励下 （振幅在0.2 g，此时桥塔响应基本都在弹性范围内）的桥塔响应来进行说明。

由于框架墩塔左右完全对称，左塔柱与右塔柱的地震反应基本相同，因此只列出左塔柱的响应。图2 为左塔柱在地震波F4-1 激励下横向响应包络图。 图3 为左塔柱地震波F4-1 激励下横向位移最大时刻桥塔响应图。 图4 为左塔柱地震波F8-2 激励下横向响应包络图。 图5 为左塔柱地震波F8-2激励下横向位移最大时刻桥塔响应图。

图2 左塔柱在地震波F4-1 激励下横向响应包络图（0.2g）Fig.2 Cross response envelopes of left tower pile under seismic wave F4-1 (0.2g)

图3 左塔柱在地震波F4-1 激励下横向位移最大时刻桥塔响应图（0.2g）Fig.3 Tower bridge response of the max cross displace ment of left tower pile under seismic wave F4-1(0.2g)

图4 左塔柱在地震波F8-2 激励下横向响应包络图（0.2g）Fig.4 Cross response envelopes of left tower pile under seismic wave F8-2 (0.2g)

图2 ～图5 分别给出两条地震波激励下的桥塔左塔柱响应图，由图可知：

图5 左塔柱在地震波F8-2 激励下横向位移最大时刻桥塔响应图（0.2g）Fig.5 Tower bridge response of the max cross displa cement of left tower pile under seismic wave F8-2(0.2g)

由图2(a)、图4(a)位移包络图可见，桥塔的横向最大位移发生在塔顶；由图2(b)、图4(b)弯矩包络图可见，其最大弯矩发生在塔柱底，桥塔梁柱连接处产生弯矩极值；由图3(a)、图5(a)塔柱横向位移最大时刻对应的桥塔变形图可见，桥塔的横向位移形态基本与包络图的形态保持一致；由图3(b)、图5(b)塔柱横向位移最大时刻对应的桥塔弯矩图可见，最大正弯矩发生在塔底，桥塔梁柱连接处产生最大负弯矩，弯矩分布基本与弯矩包络图保持一致。

由以上图形特征可知，最大位移发生时刻的位移图和弯矩图与桥塔的位移包络图和弯矩包络图基本保持一致，这表明以塔顶的位移达到容许值为桥塔破坏形态；桥塔的横向最大位移发生在塔顶，且最大正弯矩发生在塔底，桥塔梁柱连接处产生弯矩极值，这表明桥塔塔底和塔身梁柱连接处为潜在的塑性铰位置区域。

4 位移模式代表性说明

为了展示这种位移形态的普遍性，下面分别以框架式墩塔在4 类场地上不同地震波激励下的桥塔的横向位移包络图。

图6、 图7 分别列出了润扬悬索桥南塔框架式桥塔在四类场地下的不同地震等级的地震波横向输入下桥塔的横向振动形态。

仅列出了润扬悬索桥横向框架式墩塔在4 类场地上的一条地震波的桥塔的位移包络图，其余地震波下的桥塔的横向位移包络图与上述所列图形具有类似的形态。

图6 桥塔塔柱横向位移包络图（0.2g）Fig.6 Tower bridge tower pile cross displacement envelopes (0.2g)

图7 桥塔塔柱横向位移包络图（0.8g）Fig.7 Tower bridge tower pile cross displacement envelopes (0.8g)

5 结语

通过对润扬悬索桥的全桥模型进行了非线性地震反应分析，分析了地震作用下大跨度悬索桥横向性能和桥塔位移形态，得出悬索桥框架式桥塔的振动形态都遵循一定的规律，即桥塔的横向最大位移发生在塔顶，桥塔的最大弯矩发生在桥塔的塔底，桥塔梁柱连接处产生弯矩极值，因此桥塔的塔底和桥塔梁柱连接处将是桥塔的塑性铰潜在发展区。而且，上述桥塔位移形态的特性和损伤形态与悬索桥的结构类型没有关系，与地震等级也没有关系。

[1] 范立础，李建中，王君杰.高架桥梁抗震设计[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2] JTG/T B02-01—2008，公路桥梁抗震设计细则[S].北京：人民交通出版社，2008.

[3] 聂利英，张雷，李硕娇.地震作用下大跨度悬索桥纵向破坏模式研究[J].土木工程学报，2011,44(4)：91-97.