2000米级超大跨钢桁梁悬索桥的抗震密码——以狮子洋大桥抗震性能分析为例

狮子洋通道位于珠江三角洲核心地带，上游距南沙大桥约3.6km，下游距虎门大桥约8.0km，西侧对接广中江高速，东侧对接常虎高速，建成后将提供一条新的东西向过江大通道，增强南沙、顺德、江门与东莞、惠州、深圳的交通联系，对于缓解虎门大桥、南沙大桥交通压力、改善珠江南沙和东莞两岸交通流结构、完善广东省高速公路网、保障珠江两岸交通安全，均衡珠江两岸经济发展、促进珠江西岸经济崛起、落实《粤港澳大湾区发展规划纲要》起到至关重要的作用。

狮子洋通道路线全长约35km，其中双层桥长约12.5km，主桥狮子洋大桥采用主跨2180m双层钢桁梁悬索桥，总体布置为670m+2180m+710m，过江段为双向16车道高速公路标准。桥塔采用钢混组合门型塔，高340m，设置6道钢横梁。主梁采用双层钢桁梁，宽度46m，上下层弦杆中心距13.5m。塔梁间纵向设置E型动力耗能装置和摩擦阻尼器，横向设置抗风支座，竖向设置弹性支座。

地震风险下的安全挑战

地震灾害以其突发性和强破坏性，持续威胁着大跨径桥梁的安全运营。悬索桥作为跨越能力最强的桥型，其主塔、缆索系统等细长构件的动力响应复杂，尤其是在地震动作用下易成为结构薄弱环节。据统计，地震中桥塔损伤导致的交通瘫痪将严重阻碍灾后救援，因此开展精细化抗震性能评估刻不容缓。

传统确定性分析方法难以量化地震动随机性与结构参数不确定性的耦合效应。地震易损性分析通过建立概率化抗震评估模型，揭示地震强度与结构损伤程度的量化关系，为超大跨悬索桥的抗震设计提供科学依据。以主跨2180m的狮子洋大桥为研究对象，通过系统易损性分析，探明其关键构件损伤规律，为同类型桥梁抗震设计提供重要参考。

易损性曲线建立过程

易损性为结构发生某个损伤状态下的条件概率，采用结构的概率需求模型和能力概率模型来描述。易损性分析方法可以分为三种：（1）地震概率需求分析方法（Probability Seismic Demand Analysis, PSDA），也称为云方法（Cloud Approach）；（2）动力增量方法（Incremental Dynamic Analysis, IDA）；（3）多条带方法（Multiple Stripe Analysis, MSA）。动力增量方法是一种特殊的动力分析方法，通过连续缩放地震动对结构进行激励，可以反映结构地震需求和承载能力之间的关系。动力增量曲线描述了峰值工程需求参数（Engineering Demand Parameter, EDP）和强度指标（Intensity Measure, IM）之间的关系。对每一条地震动缩放，结构构件的峰值响应可以从非线性时程结果中获取，和预先定义的损伤状态（Damage State, DS）进行比较，得到损伤失效概率占比。最后，根据经验累积分布函数，对数据进行拟合即为最终易损性曲线。多条带分析法主要通过把地震记录方法或者缩小到某一强度水平后计算结构反应值，从而形成了在某一强度水平下的条带。通过考察不同强度水平下结构反应值，就得到多个强度水平下的调到，从而得到结构反应的变化范围以及其分布形式。相比于增量动力法，多条带分析法能够较为直接的得到某一强度水平下的结构反应的中值与标准差。

本文采用多条带方法，并采用最大似然估计的方法得到易损性曲线。易损性曲线建立方法如下：
（1）利用有限元软件建立桥梁的三维动力分析模型；
（2）定义桥梁的损伤状态获得相应定量的损伤指标；
（3）选择地震波，并将其输入桥梁模型进行非线性时程计算；
（4）统计每一条地震波作用下桥梁的结构响应，通过分析概率模型中的参数，进而得到桥梁地震易损性曲线；
（5）根据回归所得易损性函数绘制各构件地震易损性曲线，使用一阶界限法建立桥梁系统易失效概率曲线。

图1 狮子洋大桥有限元分析模型

地震易损性分析

损伤指标定义

损伤状态，因此选用桥塔的关键截面得曲率延性作为损伤指标。对于缆索系统，拉力及应力比均可作为易损性分析的损伤指标。因此，采用拉索拉伸应力和拉索强度的比值作为损伤指标。对于钢构件，选择与屈服应变得比值作为损伤指标。

表1 损伤定义

地震动选取

为了考虑地震动的随机性和不确定性，选择40条记录于基岩的地震动，选取地震动峰值加速度（PGA）作为强度指标，并将地震动峰值加速度PGA缩放到0.2g～2.0g，以0.20g为间隔，共10个不同地震动强度级别。将地震动峰值加速度PGA缩放到0.2g～2.0g，以0.20g为间隔，共10个不同地震动强度级别。

表2 地震动选取

构件易损性曲线建立

将调幅后的地震波输入结构非线性动力模型进行分析，收集结构目标响应，建立桥塔（塔底截面）、横梁、桩基础、缆索系统的易损性曲线。地震分析时考虑纵向+竖向、横向+竖向两个方向的地震作用。

图2 40条地震动特征

桥塔塔底截面：随峰值加速度(PGA)增大，塔底纵、横桥向损伤失效概率逐渐增大。塔底纵桥向在峰值加速度PGA大于0.6g后出现损伤，最大PGA为2.0g时，损伤失效概率达到0.60；塔底横桥向在峰值加速度PGA大于0.7g后出现损伤，最大PGA为2.0g时，损伤失效概率达到0.63；塔底纵向与横向易损性对比可知，横桥向的损伤失效概率比纵桥向的损伤失效概率大。

（a）塔底纵向

（b）塔底横向

图3 桥塔易损性曲线

桩基截面：随着峰值加速度PGA的增大，桩基损伤失效概率逐渐增大，在0.5g之后，桩基础出现了不同程度的损伤。桩基纵桥向的损伤失效概率比横桥向的损伤失效概率大。

（c）桩基纵向

（d）桩基横向

图4 桩基易损性曲线

桥塔横梁截面：鉴于纵桥向激励下横梁未达损伤状态，选取了横桥向地震作用时关键部位处的截面得到了横梁的易损性曲线；随着峰值加速度PGA的增大，损伤失效概率逐渐增大，在0.5g之后，横梁处出现了不同程度的损伤；横梁3处的损伤失效概率最大，在最大峰值加速度时，损伤失效概率为0.8，横梁6处的损伤失效概率最小，最大峰值加速度下的损伤失效概率约为0.63。

（a）横梁1

（b）横梁2

（c）横梁3

（d）横梁4

（e）横梁5

（f）横梁6

图5 桥塔横梁易损性曲线

缆索系统：随着峰值加速度PGA的增大，缆索系统的损伤失效概率逐渐增大；主缆的安全度较大，在1.0g之后，主缆出现了不同程度的损伤；主缆纵桥向的损伤失效概率比横桥向的损伤失效概率大。吊索的安全度较大，在0.8g之后，吊索出现了不同程度的损伤，纵桥向的损伤失效概率比横桥向的损伤失效概率大。

（a）纵向地震主缆易损性曲线

（b）横向地震主缆易损性曲线

（c）纵向地震吊索易损性曲线

（d）横纵向地震吊索易损性曲线

图6 缆索系统易损性曲线

系统易损性曲线

结构中各构件对结构整体抗震性能有很大影响。基于前述构件地震易损性计算结果，采用一阶界限估计法分析结构系统易损曲线；结构系统易损曲线中失效概率的下界对应结构中各构件最大失效概率，失效概率的上界则对应各构件失效事件不同时发生的情况下结构整体的最大失效概率。分析结果表明，桥梁整体损伤超越概率大于各构件的损伤超越概率，横桥向的损伤失效概率大于纵桥向。

（a）纵向地震结构易损性曲线

（b）横向地震结构易损性曲线

图7 结构系统易损性曲线

为抗震设计提供合理依据

本文详细描述了采用多条带方法对狮子洋大桥进行地震易损性分析的过程。通过这种方法，成功建立了桥塔、横梁、桩基以及缆索系统的易损性曲线，这些曲线直观地展示了各构件在不同地震强度下的损伤概率，进一步开展了结构系统易损性分析。分析结果显示，随着地震动峰值加速度（PGA）的增大，桥塔、横梁、桩基以及缆索系统的地震易损性均呈现出明显的上升趋势。

这充分表明，地震强度是影响结构损伤程度的关键因素。在探讨地震方向对结构损伤的影响时，桩基和缆索系统在纵向地震作用下的损伤概率要大于横向地震；而桥塔及其横梁则在横向地震作用下的损伤概率更高。这一发现揭示了地震方向对不同构件损伤程度的显著影响，在抗震设计中应充分考虑地震方向的因素。此外，桥梁整体损伤超越概率要大于各构件的损伤超越概率，且结构整体在横桥向的损伤失效概率大于纵桥向。这一结果强调了考虑结构整体抗震性能的重要性，在抗震设计中应注重提高结构的整体抗震能力，特别是横桥向的抗震性能。

狮子洋大桥在峰值加速度超过0.5g后结构才发生损伤，而场址峰值加速为0.21g，这表明整体结构抗震安全冗余度较高，能够满足抗震设防要求。

然而，考虑到地震的随机性和不确定性，仍需在桥梁运营过程中加强地震监测和预警工作，以确保桥梁的安全运营。本文的研究成果可为同类桥梁的抗震设计提供有价值的参考。未来，可以进一步开展考虑近场地震、行波效应等复杂因素的地震易损性分析，以及基于性能的抗震设计方法研究，为超大跨悬索桥的抗震设计提供更加科学、合理的依据。

本文刊载 / 《桥梁》杂志

2025年 第3期 总第125期

作者 / 徐军 杨怀茂

作者单位 / 中交公路规划设计院有限公司
中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司

编辑 / 陈晨

美编 / 杨敬倩

审校 / 李天颖 王硕 廖玲

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