軌道交通矮塔斜拉橋抗震性能研究

張 瑩

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070）

1 工程概況

某新建軌道交通工程主橋預應力混凝土矮塔斜拉橋，孔跨布置為（90+160+90）m，采用塔梁固結、塔墩分離體系，引橋小里程為五跨連續剛構，大里程為32 m簡支梁。主梁采用單箱雙室直腹板變高度預應力混凝土箱梁，頂面寬12.0 m，底面寬8.5 m，跨中合龍段及邊跨現澆段、邊跨合龍段梁高3.6 m，中支點梁高6.4 m，梁底下緣按1.8次拋物線變化。橋面以上橋塔高25.8 m，主塔采用矩形實心截面，四周設倒角。斜拉索采用扇形布置，索面設置為單索面（雙排索），布置在橋梁中心線，斜拉橋與水平線的夾角為16.9°～38.7°，橋墩采用獨柱實體墩，基礎均為鉆孔灌注樁。

2 抗震設防標準

《城市軌道交通橋梁設計規范》（GB/T 51234—2017）中規定，單跨跨度大于或等于150 m的橋梁為A類橋梁，故本橋抗震設防為A類。

抗震設防目標：設計地震下，結構處于彈性工作狀態；罕遇地震下，可發生局部輕微損傷，不需修復或經簡單修復可繼續使用。

3 計算模型和地震動輸入

3.1 有限元模型

計算分析采用MIDAS Civil有限元程序進行結構動力分析。主梁、橋塔和橋墩采用梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬，只考慮初拉力，不考慮斜拉索垂度效應引起的彈性模量變化，考慮兩側結構對主橋地震響應的影響。

計算模型如圖1所示。

圖1 全橋動力計算模型

3.2 支座模擬

（1）鋼阻尼抗震支座性能。

本橋采用鋼阻尼抗震支座，正常工作狀態下，由于支座設置了剪力銷裝置及有限滑移裝置，實現了水平力的傳遞與活動支座因制動力、溫度及收縮徐變等載荷作用的常規活動位移，支座本體處于較低的彈性工作狀態，阻尼耗能裝置不工作。設計地震作用下，支座本體處于彈性工作狀態，活動墩參與分擔水平載荷，活動型支座鋼阻尼器開始工作并處于彈性變形階段，起到隔震作用。罕遇地震作用下，支座本體處于彈性工作狀態，剪力銷被剪斷，消耗部分能量，同時鋼阻尼器開始工作并處于彈塑性變形階段。通過塑性滯回變形耗散地震能量，活動墩和其他墩及支座共同起到減震作用，實現全橋協同抗震。

出于安全保守設計，在設計地震作用時，不考慮支座阻尼器的作用，抗震支座等同于常規支座受力。罕遇地震作用下，阻尼器工作，支座起到抗震作用。

（2）抗震支座模擬。

①設計地震。

進行非線性時程分析的過程中，在線形模型的基礎上，考慮活動支座與梁底的摩擦作用效應，活動支座采用雙線性單元模擬。

活動支座的恢復力模型如圖2所示。

圖2 活動支座恢復力模型

活動支座臨界滑動摩擦力Fmax=μd，即滑動摩擦系數，一般取0.02。初始剛度k：

式中：xy——活動支座屈服位移，一般取0.003 m。

②罕遇地震。

罕遇地震時，除考慮活動支座滑動摩擦效應外，還需考慮抗震支座鋼阻尼器的耗能效應。

鋼阻尼器非線性特性即水平向非線性特征如表1所示。

表1 鋼阻尼抗震支座阻尼器剛度參數

3.3 樁基礎模擬及地震動輸入

樁基礎剛度模擬采用承臺底加6個方向的彈簧表示。

本橋位于7度區，Ⅱ類場地。根據地震安全性評價報告所提供的100年超越概率為63%（重現期100年）、50年超越概率為10%（重現期475年）和2%（重現期2 475年），分別對應多遇、設計和罕遇三級地震作用。針對本橋，對應設計地震和罕遇地震兩種工況進行非線性時程分析，取最大值進行抗震驗算。設計地震、罕遇地震程波如圖3、圖4所示。

圖3 設計地震時程波

圖4 罕遇地震時程波

4 設計地震響應分析

經計算，橋墩在設計地震作用下均處于彈性工作狀態。

底截面混凝土最大應力：21.68 MPa；

鋼筋最大拉應力：221.05 MPa；

鋼筋最大壓應力；164.63 MPa。

抗彎承載力滿足要求。

5 罕遇地震響應分析

5.1 采用普通支座時罕遇地震分析

僅采用普通支座時，橋墩墩底截面在罕遇地震組合作用下的產生最大內力。在罕遇地震組合作用下，7#固定中墩墩底順橋向彎矩大于等效屈服彎矩，說明截面進入屈服，不滿足A類橋梁在罕遇地震下的設防目標，故應設抗震支座。

采用普通支座時墩底截面的內力如表2所示。

表2 采用普通支座時墩底截面在罕遇地震作用下的內力

由表2可知，在罕遇地震組合作用下，7#固定中墩墩底順橋向彎矩＞等效屈服彎矩，說明截面進入屈服，不滿足A類橋梁在罕遇地震下的設防目標，故應設抗震支座。

5.2 采用抗震支座時罕遇地震分析

采用抗震支座時，橋墩墩底截面在罕遇地震組合作用下的最大內力如表3所示。

表3 采用抗震支座時墩底截面在罕遇地震作用下的內力

由表3可知，在罕遇地震組合作用下，由于抗震支座發揮作用，使得矮塔斜拉橋的各橋墩彎矩均小于等效屈服彎矩，滿足抗震目標要求。

5.3 有無抗震支座的對比分析

通過表2和表3對比可知，罕遇縱向組合作用下，6#活動墩使用抗震支座比使用普通支座彎矩下降了10%，7#固定彎矩下降了82%，減震效果明顯。8#、9#活動墩使用抗震支座后，彎矩比只使用普通支座時各增長了38.9%、22.6%。

在罕遇地震作用下，抗震支座的剪力銷剪斷，活動墩和固定墩協同抗震，僅使用普通支座時，活動墩不起抗震效果，所受彎矩增大。在罕遇橫向地震組合作用下，抗震支座對比普通支座，墩彎矩下降53.6%～60.4%，說明抗震效果顯著。

6 結語

針對某軌道交通（90+160+90）m矮塔斜拉橋的結構特點，結合抗震支座，應用非線性時程分析方法進行了設計地震和罕遇地震情況下的地震反應響應分析。在設計地震作用下，結構處于彈性狀態；在罕遇地震作用下，采用普通支座時，固定中墩墩底截面進入屈服；采用抗震支座時，各橋墩墩底彎矩小于等效屈服彎矩，滿足抗震性能目標要求；采用抗震支座與普通支座相比，固定中墩截面縱橋向內力下降82%，活動墩參與協同受力，內力有所增加，各墩橫橋向內力下降明顯，說明抗震支座起到了良好的效果。