獨塔斜拉橋抗震性能分析

趙 爽

(四川麗攀高速公路有限責任公司，四川成都 610000)

獨塔斜拉橋抗震性能分析

趙 爽

(四川麗攀高速公路有限責任公司，四川成都 610000)

以某采用塔、梁固結體系的獨塔斜拉橋為例，采用通用有限元軟件建立空間動力模型研究了該橋的動力特性，并分析了該體系獨塔斜拉橋在E1和E2兩種概率水平地震作用下分別采用縱向+豎向和橫向+豎向兩種不同地震輸入組合下的主塔結構抗震性能，取得了一些有價值的結果，可為獨塔斜拉橋的抗震設計提供參考。

塔、梁固結體系； 獨塔斜拉橋； 動力特性； 彎矩-曲率曲線

近年來，國內、外發生了多起強烈地震，造成了大量人員傷亡和道路橋梁等交通設施的破壞，導致了慘重的社會經濟損失。所以橋梁尤其是關鍵性橋梁工程抗震性能的研究越來越受到研究人員的關注和重視。獨塔斜拉橋由于造型優美、布局較易與周圍環境相協調統一，得到人們的認可和喜愛，因此在橋梁尤其市政橋梁工程中得到大量的應用。獨塔斜拉橋多采用塔、梁固結的結構體系，這樣處理可以降低橋梁的施工難度，但是橋塔和主梁固結區構造復雜，導致對其抗震性能較為難以計算清楚。因此，本文以某采用塔、梁固結體系的獨塔斜拉橋工程實例為背景，對其進行抗震能力分析，可以深入認識該橋型在地震作用下的響應特性和安全性能，為相關橋梁設計提供理論依據。

1 有限元模型

該橋主跨跨徑為(125.7+125.7)m，采用獨塔雙索面斜拉橋結構形式，塔、梁固結。索塔采用拱形門式，索塔自索塔橫梁頂面以上高度為60.47m，自索塔橫梁頂面以下塔高約12.44m。塔身順橋向豎直、橋塔軸線橫橋向采用5次拋物線與圓曲線組合，塔身采用空心斷面，因塔、梁固結，索塔橫梁頂面以下為實心段。主梁標準斷面總寬度36m，橫向車道布置為雙向六車道。該橋按照城市I級主干道設計，設計行車速度為60km/h。車輛荷載按公路-I級取值，人群荷載取為3.5kN/m2。橋位處地震基本烈度為Ⅵ度(設計基本地震加速度0.05 g)，橋梁設防烈度為Ⅶ度。

采用有限元軟件MIDAS/Civil2010建立該橋的空間有限元模型。主梁和橋塔采用空間梁單元模擬，斜拉索采用空間桿單元模擬，采用彈性模量較大的剛性桿連接斜拉索和主梁。在有限元模型中，采用節點彈性支撐模擬樁-土效應，其中彈性支承剛度根據規范計算得出，并在樁底施加固結約束。該橋的空間有限元模型如圖1所示。

圖1 獨塔斜拉橋空間有限元模型

2 自振特性分析

橋梁結構自振特性計算是橋梁抗震性能分析的基礎，自振特性計算也可以反映計算模型的精度，本文采用子空間迭代的方法計算分析了該橋前100階的自振特性。該橋的前十階自振頻率、周期和振型特征見表1，部分振型示意見圖2所示。

表1 前十階頻率、周期和振型

第一階振型

第二階振型

第四階振型

第六階振型

第八階振型

第九階振型圖2 部分振型示意

計算結果表明：該橋的第一階自振周期為1.722s，振型為順橋向反對稱彎曲、主塔縱向漂移，這一振型對主塔的縱橋向地震反應具有控制作用。斜拉橋具有柔度大、自振周期長、頻率相差小的特點，模態分布較一般的橋梁結構密集，采用振型疊加法時，應計入較多的振型，以減少質量缺損所帶來的不利影響。

3 抗震性能驗算

由于本文示例橋梁為重要市政交通橋梁，按照A類橋梁進行設計，因此本文根據該橋橋址場地地震安全性評價工作報告，確定了該橋地震動輸入的E1地震場地水平加速度時程和E2地震場地水平加速度時程。文獻[1]規定：A類橋梁的抗震設防目標是橋梁受E1地震作用(重現期約為475a)下不應發生損傷，橋梁受E2地震作用(重現期約為2 000a)下可產生有限損傷，但地震后應能夠立即維持正常交通通行。因此，本文分別采用E1地震加速度時程和E2地震加速度時程對該橋進行非線性時程分析，地震的激勵方向采用縱向+豎向和橫向+豎向兩種方式，其中豎向時程采用相應水平向時程的0.667倍得到。每種地震水平分布采用3條地震波進行時程分析，分析結果采用3條時程波的反應最大值。地震波時程曲線示意如圖3所示。

由于該橋為塔、梁固結結構體系，因此在地震作用下塔梁固結位置、塔底位置和塔頂位置為最不利截面。本文選取圖4所示的A-A截面～E-E截面進行抗震性能驗算。

(a)E1地震加速度時程(樣本一)

(b)E1地震加速度時程(樣本二)

(c)E1地震加速度時程(樣本三)

(d)E2地震加速度時程(樣本一)

(e)E2地震加速度時程(樣本二)

(f)E2地震加速度時程(樣本三)圖3 地震波時程曲線

圖4 橋塔受力控制截面位置

橋梁抗震的目標是減輕橋梁工程的地震破壞，保障人民生命財產的安全，減少經濟損失。因此，既要使震前用于抗震設防的經濟投入不超過我國當前的經濟能力，又要使地震中經過抗震設計的橋梁的破壞程度限制在人們可以承受的范圍內。

根據文獻[1]規定可以使用梁或柱結構截面的M-φ曲線(彎矩-曲率曲線)作為評價截面抗震性能的依據。本文采用MIDAS/Civil2010軟件中提供的截面彎矩-曲線計算控件計算分析橋塔控制截面的初始屈服彎矩，從而進行抗震性能驗算。由于該橋在縱橫向地震輸入下結構的非線性行為都非常明顯，因此，對該橋各控制截面檢算的輸入采用地震+恒載組合，檢算中根據在恒載和地震作用下的軸力組合對各控制截面進行了最不利軸力(恒載+地震動軸力)作用下的M-φ分析，得出各控制截面的各特征曲率變形與特征彎矩，對該橋進行抗震性能驗算。為了減小計算工作量，在計算構件的初始屈服彎矩時對相同尺寸和相同配筋的截面，取恒載和地震組合軸力的最小值進行初始屈服彎矩的計算。

3.1E1地震作用工況

E1地震作用下，地震輸入方向為縱向+豎向組合輸入和橫向+豎向組合輸入。兩種工況下主塔各控制截面抗震性能檢算結果見表2。

表2 主塔控制截面內力

由表2可見，主塔各控制截面在E1地震均滿足抗震安全性規定，其中主塔橫梁D-D截面的在橫向+豎向地震輸入組合作用下安全儲備最低，安全系數為1.76。

3.2E2地震作用工況

E2地震作用下，地震輸入方向為縱向+豎向組合輸入和橫向+豎向組合輸入。兩種工況下主塔各控制截面抗震性能檢算結果見表3。

表3 主塔控制截面內力

由表3可見，主塔各控制截面在E2地震均滿足抗震安全性規定，其中主塔橫梁D-D截面的在橫向+豎向地震輸入組合作用下安全儲備最低，安全系數為1.28。

4 結論

以某獨塔斜拉橋為例，建立有限元模型計算分析了采用塔、梁固結體系的獨塔斜拉橋的動力特性，并分析了該獨塔斜拉橋在E1和E2兩種概率水平地震作用下分別采用縱向+豎向和橫向+豎向兩種不同地震輸入組合下的主塔結構抗震性能，可得以下結論：

(1)采用塔、梁固結體系的獨塔斜拉橋整體性好，第一階自振周期為1.722s，振型為縱橋向振動，主塔的縱橋向地震反應具有控制作用。

(2)主塔各控制截面在E1和E2兩種概率水平地震作用下分別采用縱向+豎向和橫向+豎向兩種不同地震輸入組合下的主塔結構抗震性能均滿足預期性能目標要求。

(3)主塔在E1和E2兩種概率水平地震作用下，各截面中均為D-D截面的安全儲備最低，并且均為橫向+豎向地震輸入組合作用下，最低安全系數為1.28。

[1]JTG/TB02-01-2008公路橋梁抗震計算細則[S]

[2] 周莉,胡江.天津寧河某獨塔斜拉橋抗震分析[J].黑龍江交通科技，2014,(1):118-121

[3] 范立礎.橋梁抗震[M].上海:同濟大學出版社,1997

[4] 丁志威,武修雄,張峻峰,等.半漂浮體系獨塔斜拉橋反應譜分析[J].中外公路，2013,33(2):160-162

[5] 劉士林,梁智濤,候金龍,等.斜拉橋[M].北京:人民交通出版社,2002

趙爽(1984～)，男，本科，助理工程師，從事施工現場管理工作。

U442.5+5

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[定稿日期]2014-08-22