淺談懸索橋的抗震分析

(重慶交通大學土木工程學院， 重慶 400041)

淺談懸索橋的抗震分析

趙 岳

(重慶交通大學土木工程學院， 重慶 400041)

地震對國家的交通有強大破壞，而橋梁是交通里面的重要組成部分。因此懸索橋的抗震因素研究是有必要的。通過對國內(nèi)和國外的懸索橋的抗震研究成果的講述，可以了解到一些抗震因素如行波效應、阻尼比等。選用適當?shù)淖枘崞鲿玫姆勒鹦Ч?，還有對于懸索橋的力學分析也是好的方法。

地震；懸索橋；抗震因素；抗震研究

0 前言

如今，懸索橋優(yōu)良的特點受到國內(nèi)外的認可，成為橋梁發(fā)展的好途徑。特別在我國，它的發(fā)展迅速。然而懸索橋抗震是我國面臨的主要問題。我國是一個多地震國家，這方面的研究很有意義。地震可使橋梁的各個主要部位受到傷害，本文主要是對國內(nèi)外懸索橋的抗震研究進行綜述。同時，利用懸索橋自身的結(jié)構(gòu)特點，提出在懸索橋抗震方面的實際意義。

1 國內(nèi)概況

在我國，地震有幾千年的發(fā)展。早在三千多年就有文獻記載，從明代開始，關(guān)于地震的記載有很多，而且描述得很詳細。如趙州橋經(jīng)歷了一千多年的洗禮，地震對它沒有絲毫的損害。現(xiàn)在，我國已成為一個大國，更應該重視橋梁抗震的防治。我國的懸索橋雖然從八十年代開始起步，但是現(xiàn)在發(fā)展的越來越迅速。而且由于它的結(jié)構(gòu)特點，越來越受到國內(nèi)外的認可，因此對懸索橋的抗震研究是很有必要。懸索橋分為自錨式和地錨式，下面分別介紹我國的發(fā)展狀況。

1.1 自錨式懸索橋的抗震研究

我國從發(fā)展之初到現(xiàn)在，修建了很多自錨式懸索橋，因此對于自錨式懸索橋在地震響應、減震抗震的方法上用的最多。下面進行一一介紹。

在2002到2004年間，利用虛擬激勵法，可以得到自錨式懸索橋的地震反應受行波效應和相干效應的影響，另外它的主梁和主塔在地震作用下內(nèi)力變大了很多。在2004年，張奇?zhèn)サ热死谜駝訉嶒灥玫剿腻^固形式改變了耗能方式和整體剛度。

在2007年間，方海等人研究出自錨式懸索橋采用應變能比例法合理的考慮其阻尼特性并計算其的動力性能，獲得采用恒定阻尼比得出的地震響應的結(jié)果要低。

在2011年間，楊孟剛等人研究磁阻尼器的力學性能得到非線性滯回模型，并且把橋當作單自由度系統(tǒng)，獲得由于不同地震波作用下的自錨式懸索橋的減震效果。

在2012年間，王浩等人研究了南京江心洲大橋，得到了新型彈塑性剛阻尼器比其他的裝置效果要好。

1.2 地錨式懸索橋的抗震研究

在我國地錨式的懸索橋的抗震研究比較少。不過曹哲研究了地錨式三塔四跨懸索橋的地震響應分析，得出了如下結(jié)論：在各種視波速行波效應下，非一致激勵的行波對內(nèi)力分布沒有影響，對邊塔的縱向位移有影響。另外還有其他研究人員也進行過抗震研究，在此不一一講述。

2 國外概況

在國外，尤其是日本和美國，這兩個國家也發(fā)生過較大的地震，對其交通產(chǎn)生了很大的影響，對其經(jīng)濟產(chǎn)生了重創(chuàng)。因此，國外研究人員對橋梁的抗震分析也非常的重視。不過國外針對地錨式的懸索橋的研究比較多，但對于自錨式的比較少。下面針對懸索橋進行介紹。

國外的研究在八十年代初期進行研究，比如在1982年到1984年間，AbdelGh-affar等人以時域和頻域兩個因素研究了自錨式懸索橋金門大橋的地震響應，最后得到的結(jié)論是使懸索橋產(chǎn)生較大影響的是行波效應。在2001年，Mohamm-ed Ettouney等人研究出了影響懸索橋地震響應的另外一個重大因素是地震波的入射角度。在2005年，Cole C.McDaniel等人研究了奧克蘭大橋的地震響應，最終得到彈塑性連接器對自錨式懸索橋的整體結(jié)構(gòu)減震效果好。在2009年，D.Karmakar等人得到影響懸索橋的因素之一是場地效應的空間變異性。在2010， Nurdan Memiso-glu等人以自振特性、粘滯阻尼器和場地效應分析了伊斯坦爾市的兩座海灣大橋的地震效應。不管是地錨式還是自錨式，主要的研究的方向在懸索橋的結(jié)構(gòu)力學性質(zhì)，安裝的阻尼器以及行波效率等等。

3 研究現(xiàn)狀分析和建議

通過對國內(nèi)和國外的懸索橋的抗震研究分析，可以知道地震響應下，對橋梁的影響有行波效應，阻尼器。但是還有一些方面是不夠的，比如自錨式懸索橋的受力特性及減震的控制等。另外還不能夠考慮材料的非線性的因素。而對于地錨式的懸索橋的結(jié)構(gòu)特性比不上自錨式，因此我的建議為對自錨式懸索橋進行非線性地震響應分析，研究阻尼器對地震響應的影響。

3.1 研究內(nèi)容

我們知道自錨式的懸索橋的主要振動在橋的上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)部分的振動。首先可以利用能量原理的Raleihd法獲得橋的自動頻率公式，再用有限元軟件建模型得到自動特性結(jié)果。之后利用規(guī)范得到反映譜，利用其理論得到地震響應時程分析；最后對截面M-φ分析，分析自錨式懸索橋的地震響應性，以此來確定阻尼器的力學參數(shù)和安放位置，能夠使橋減震。而具體的研究方法如下：

（1）采用合適的振型形狀函數(shù)的Rayeigh法，得到橋的自動頻率公式，其中有橫向和正對稱的自由震動、一階豎向反對稱。

（2）可以建立模擬結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量分布的空間有限元計算模型，在這中間，主要考慮自錨式懸索橋個構(gòu)件單元的處理，才能建立好三維模型。

（3）計算自錨式懸索橋的地震反應，可以考慮阻尼調(diào)整系數(shù)、抗震重要性系數(shù)等參數(shù)獲取較準確的加速度反應譜。計算采用疊加的法則，這樣可以對提高結(jié)構(gòu)地震反應的精度。

（4）采用當前的減震和抗震方法得到合適的阻尼器，且獲得有限元模型。之后，根據(jù)上面得到的地震響應結(jié)果，來知道阻尼器位置。并最終得到好的減震方案。

4 結(jié)語

懸索橋的抗震研究在國內(nèi)和國外都經(jīng)歷了三四十年的時間，都不是很長。不過從發(fā)展到現(xiàn)在，我們在有限元模型中常使用的是反映普法，靜力法，動力時程分析法等方法。以此為基準，我們可以考慮橋梁防震的因素有地震的行波效應，使用阻尼器的型號以及他的阻尼比。但是我們還是面臨著很多問題。比如我們國家的一些規(guī)范只能針對一些中小型的懸索橋，并不能用于大型的懸索橋。另外，我國對于地錨式懸索橋抗震研究深度不足，還有很大的研究空間。

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趙岳(1992-)，男，內(nèi)蒙古包頭人，碩士在讀研究生，研究方向為道橋與隧道工程監(jiān)測與評估。