独塔斜拉桥抗震性能分析

赵 爽

(四川丽攀高速公路有限责任公司，四川成都 610000)

独塔斜拉桥抗震性能分析

赵 爽

(四川丽攀高速公路有限责任公司，四川成都 610000)

以某采用塔、梁固结体系的独塔斜拉桥为例，采用通用有限元软件建立空间动力模型研究了该桥的动力特性，并分析了该体系独塔斜拉桥在E1和E2两种概率水平地震作用下分别采用纵向+竖向和横向+竖向两种不同地震输入组合下的主塔结构抗震性能，取得了一些有价值的结果，可为独塔斜拉桥的抗震设计提供参考。

塔、梁固结体系； 独塔斜拉桥； 动力特性； 弯矩-曲率曲线

近年来，国内、外发生了多起强烈地震，造成了大量人员伤亡和道路桥梁等交通设施的破坏，导致了惨重的社会经济损失。所以桥梁尤其是关键性桥梁工程抗震性能的研究越来越受到研究人员的关注和重视。独塔斜拉桥由于造型优美、布局较易与周围环境相协调统一，得到人们的认可和喜爱，因此在桥梁尤其市政桥梁工程中得到大量的应用。独塔斜拉桥多采用塔、梁固结的结构体系，这样处理可以降低桥梁的施工难度，但是桥塔和主梁固结区构造复杂，导致对其抗震性能较为难以计算清楚。因此，本文以某采用塔、梁固结体系的独塔斜拉桥工程实例为背景，对其进行抗震能力分析，可以深入认识该桥型在地震作用下的响应特性和安全性能，为相关桥梁设计提供理论依据。

1 有限元模型

该桥主跨跨径为(125.7+125.7)m，采用独塔双索面斜拉桥结构形式，塔、梁固结。索塔采用拱形门式，索塔自索塔横梁顶面以上高度为60.47m，自索塔横梁顶面以下塔高约12.44m。塔身顺桥向竖直、桥塔轴线横桥向采用5次抛物线与圆曲线组合，塔身采用空心断面，因塔、梁固结，索塔横梁顶面以下为实心段。主梁标准断面总宽度36m，横向车道布置为双向六车道。该桥按照城市I级主干道设计，设计行车速度为60km/h。车辆荷载按公路-I级取值，人群荷载取为3.5kN/m2。桥位处地震基本烈度为Ⅵ度(设计基本地震加速度0.05 g)，桥梁设防烈度为Ⅶ度。

采用有限元软件MIDAS/Civil2010建立该桥的空间有限元模型。主梁和桥塔采用空间梁单元模拟，斜拉索采用空间杆单元模拟，采用弹性模量较大的刚性杆连接斜拉索和主梁。在有限元模型中，采用节点弹性支撑模拟桩-土效应，其中弹性支承刚度根据规范计算得出，并在桩底施加固结约束。该桥的空间有限元模型如图1所示。

图1 独塔斜拉桥空间有限元模型

2 自振特性分析

桥梁结构自振特性计算是桥梁抗震性能分析的基础，自振特性计算也可以反映计算模型的精度，本文采用子空间迭代的方法计算分析了该桥前100阶的自振特性。该桥的前十阶自振频率、周期和振型特征见表1，部分振型示意见图2所示。

表1 前十阶频率、周期和振型

第一阶振型

第二阶振型

第四阶振型

第六阶振型

第八阶振型

第九阶振型图2 部分振型示意

计算结果表明：该桥的第一阶自振周期为1.722s，振型为顺桥向反对称弯曲、主塔纵向漂移，这一振型对主塔的纵桥向地震反应具有控制作用。斜拉桥具有柔度大、自振周期长、频率相差小的特点，模态分布较一般的桥梁结构密集，采用振型叠加法时，应计入较多的振型，以减少质量缺损所带来的不利影响。

3 抗震性能验算

由于本文示例桥梁为重要市政交通桥梁，按照A类桥梁进行设计，因此本文根据该桥桥址场地地震安全性评价工作报告，确定了该桥地震动输入的E1地震场地水平加速度时程和E2地震场地水平加速度时程。文献[1]规定：A类桥梁的抗震设防目标是桥梁受E1地震作用(重现期约为475a)下不应发生损伤，桥梁受E2地震作用(重现期约为2 000a)下可产生有限损伤，但地震后应能够立即维持正常交通通行。因此，本文分别采用E1地震加速度时程和E2地震加速度时程对该桥进行非线性时程分析，地震的激励方向采用纵向+竖向和横向+竖向两种方式，其中竖向时程采用相应水平向时程的0.667倍得到。每种地震水平分布采用3条地震波进行时程分析，分析结果采用3条时程波的反应最大值。地震波时程曲线示意如图3所示。

由于该桥为塔、梁固结结构体系，因此在地震作用下塔梁固结位置、塔底位置和塔顶位置为最不利截面。本文选取图4所示的A-A截面～E-E截面进行抗震性能验算。

(a)E1地震加速度时程(样本一)

(b)E1地震加速度时程(样本二)

(c)E1地震加速度时程(样本三)

(d)E2地震加速度时程(样本一)

(e)E2地震加速度时程(样本二)

(f)E2地震加速度时程(样本三)图3 地震波时程曲线

图4 桥塔受力控制截面位置

桥梁抗震的目标是减轻桥梁工程的地震破坏，保障人民生命财产的安全，减少经济损失。因此，既要使震前用于抗震设防的经济投入不超过我国当前的经济能力，又要使地震中经过抗震设计的桥梁的破坏程度限制在人们可以承受的范围内。

根据文献[1]规定可以使用梁或柱结构截面的M-φ曲线(弯矩-曲率曲线)作为评价截面抗震性能的依据。本文采用MIDAS/Civil2010软件中提供的截面弯矩-曲线计算控件计算分析桥塔控制截面的初始屈服弯矩，从而进行抗震性能验算。由于该桥在纵横向地震输入下结构的非线性行为都非常明显，因此，对该桥各控制截面检算的输入采用地震+恒载组合，检算中根据在恒载和地震作用下的轴力组合对各控制截面进行了最不利轴力(恒载+地震动轴力)作用下的M-φ分析，得出各控制截面的各特征曲率变形与特征弯矩，对该桥进行抗震性能验算。为了减小计算工作量，在计算构件的初始屈服弯矩时对相同尺寸和相同配筋的截面，取恒载和地震组合轴力的最小值进行初始屈服弯矩的计算。

3.1E1地震作用工况

E1地震作用下，地震输入方向为纵向+竖向组合输入和横向+竖向组合输入。两种工况下主塔各控制截面抗震性能检算结果见表2。

表2 主塔控制截面内力

由表2可见，主塔各控制截面在E1地震均满足抗震安全性规定，其中主塔横梁D-D截面的在横向+竖向地震输入组合作用下安全储备最低，安全系数为1.76。

3.2E2地震作用工况

E2地震作用下，地震输入方向为纵向+竖向组合输入和横向+竖向组合输入。两种工况下主塔各控制截面抗震性能检算结果见表3。

表3 主塔控制截面内力

由表3可见，主塔各控制截面在E2地震均满足抗震安全性规定，其中主塔横梁D-D截面的在横向+竖向地震输入组合作用下安全储备最低，安全系数为1.28。

4 结论

以某独塔斜拉桥为例，建立有限元模型计算分析了采用塔、梁固结体系的独塔斜拉桥的动力特性，并分析了该独塔斜拉桥在E1和E2两种概率水平地震作用下分别采用纵向+竖向和横向+竖向两种不同地震输入组合下的主塔结构抗震性能，可得以下结论：

(1)采用塔、梁固结体系的独塔斜拉桥整体性好，第一阶自振周期为1.722s，振型为纵桥向振动，主塔的纵桥向地震反应具有控制作用。

(2)主塔各控制截面在E1和E2两种概率水平地震作用下分别采用纵向+竖向和横向+竖向两种不同地震输入组合下的主塔结构抗震性能均满足预期性能目标要求。

(3)主塔在E1和E2两种概率水平地震作用下，各截面中均为D-D截面的安全储备最低，并且均为横向+竖向地震输入组合作用下，最低安全系数为1.28。

[1]JTG/TB02-01-2008公路桥梁抗震计算细则[S]

[2] 周莉,胡江.天津宁河某独塔斜拉桥抗震分析[J].黑龙江交通科技，2014,(1):118-121

[3] 范立础.桥梁抗震[M].上海:同济大学出版社,1997

[4] 丁志威,武修雄,张峻峰,等.半漂浮体系独塔斜拉桥反应谱分析[J].中外公路，2013,33(2):160-162

[5] 刘士林,梁智涛,候金龙,等.斜拉桥[M].北京:人民交通出版社,2002

赵爽(1984～)，男，本科，助理工程师，从事施工现场管理工作。

U442.5+5

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[定稿日期]2014-08-22