大跨径斜拉桥索塔静力弹塑性分析

陈星烨　刘瑞山

摘要：文章选取集中荷载分布、均布荷载分布、倒三角荷载分布三种加载模式按横桥向对大跨度斜拉桥索塔进行Pushover分析，得到索塔横桥向Pushover分析曲线，并转化成能力谱，将能力谱曲线与不同需求谱曲线画在同一坐标系中，对桥梁结构的抗震性能进行评价，结果表明：在Ⅱ类场地7度和8度罕遇地震作用下，左、右主塔均在弹性工作阶段。在9度罕遇地震作用下，结构已接近破坏。

关键词：静力弹塑性；大跨径斜拉桥索塔；加载模式；能力谱；需求谱

中图分类号：U448 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2009）15-0168-02

一、理论分析

（一）工程简介

某斜拉桥主桥为184米+460米+184米塔双索面PC梁斜拉桥，全长828m。全幅桥采用采用分离式箱型断面，半漂浮体系，索塔选用H塔形，各设两道横梁系，将索塔分为上塔柱、中塔柱和下塔柱三部分。索塔采用箱型截面，索塔内采用角钢组拼成劲性骨架。

桥墩仅设置一个交界墩，两岸均设辅助墩，辅助墩由双柱式桩基础组成，每隔辅助墩对应一个箱梁。桩基础为支持桩，由21根桩径为2.5米群桩组成，桩基嵌入弱风化层，为嵌岩桩。

斜拉索：采用￠15.24环氧喷涂钢绞线，主桥斜拉索共有六种规格，共计304根。

（二）索塔横向静力弹塑性分析模型

斜拉桥为柔性结构，基本周期较长，在地震作用下的受力一般不会很大，但在罕遇地震作用下，塔柱有可能屈服进入塑性工作阶段。索塔由于斜拉索的约束，刚性大大增强，以主塔振动为主的振型出现的较晚，斜拉索对主塔纵向的约束远远大于横向，以主塔纵向振动为主的振型远远落后于横向。对索塔而言，结构横桥向响主要由其第二振型控制。本文选取刚度相对较弱的索塔横向进行push-over分析，由于南塔和北塔基本对称性，本文选取南塔进行静力弹塑性分析，如图1所示：

（三）push-over分析能力曲线

考虑到主梁横向振动使斜拉索产生对索塔的水平推力而采用均布荷载模式，参照一般梁桥桥墩所采用的水平荷载模式，最终采用均布、倒三角和塔顶集中力三种水平荷载模式对主塔进行横桥向静力弹塑性推倒分析，考虑斜拉索对索塔的横向约束及主梁振动对主塔影响的等效结构。通过自振频率与原结构相等的原则，对索塔锚固点及索塔与主梁之间的横向限位支座点处附加刚度和附加质量。经过试算南塔锚固点和索塔横向限位支座点处把刚度增大10%，质量增加5%。

计算获得总水平力V和塔顶横向位移的关系曲线，如图2所示：

均布荷载模式下，整个结构塑性得到充分发挥，倒塌时需要的总水平力最大，而塔顶集中力荷载模式下，主塔倒塌时的总水平力最小。塔顶集中力水平荷载模式是偏于保守的一种极限状态。

由斜拉桥动力特性分析可以获得斜拉桥南塔横向振动的振型函数，将已经获得的push-over分析曲线转换成A-D（Acceleration-Displacement）格式能力曲线，如图3所示：

二、抗震性能评价

能力谱与不同的需求反应谱相交。最终要在这些交点中，确定出一个作为相点。在一个交点处，由能力谱计算得到的延性系数应当与需求反应谱的延性值匹配。将A-D格式的能力谱与需求谱绘于同一个图表中，如图4所示，可以看出，斜拉桥在7度罕遇地震（水平地震影响系数α=0.5）和8度遇地震（水平地震影响系数α=0.9）作用下，不管采用哪种水平荷载模式，主依然处在弹性工作阶段；在9度罕遇地震（水平地震影响系数α=1.4）作用时，集中荷载模式下，能力曲线与弹性需求谱曲线（μ=1）的交点坐标为（0.2231，2.0390），达到极限应力。

三、结论

1．本文对大跨度斜拉桥的主塔进行横桥向的push-over分析，得到塔顶横向位移和总水平力之间的关系曲线，并转化成能力谱。将能力谱曲线与需求谱曲线绘制在同一张图中，对斜拉桥的抗震性能进行评价。在Ⅱ类场地7度罕遇地震作用下，左、右主塔均在弹性工作阶段。在9度罕遇地震作用下，结构已接近破坏。

2．静力弹塑性（Pushover）分析比一般的非线性时程分析简单，方便，快捷，同时也能得到较合理的数值结果。易于工程师在设计中掌握和应用，在今后的桥梁的设计中，不失为一种简单的抗震设计验算方法。

参考文献

[1]叶燎原，潘文．结构静力弹塑性分析（Pushover）的原理和计算实例[J]．建筑结构学报，2000，21（1）．

[2]潘龙．基于推倒分析方法的桥梁结构地震损伤分析与性能设计[D]．同济大学硕士学位论文，上海：同济大学，2001．

[3]王东升，翟桐，郭明珠．利用Pushover方法分析桥梁的抗震安全性[J]．世界地震工程，2000，16（2）．

[4]柳春光，林皋．桥梁结构Pushover方法抗震性能研究[J]．大连理工大学学报，2005．

作者简介：陈星烨，男，湖南长沙人，长沙理工大学工程力学教研室副教授，研究方向：桥梁结构分析与工程控制；刘瑞山，男，湖南新化人，长沙理工大学桥梁与隧道工程专业硕士研究生，研究方向：桥梁结构分析与工程控制。