大跨度斜拉桥性能评估及抗震分析

梁 洪 昌

(亳州市公路管理局，安徽 亳州 236800)

·桥梁·隧道·

大跨度斜拉桥性能评估及抗震分析

梁 洪 昌

(亳州市公路管理局，安徽 亳州 236800)

结合某公路斜拉桥工程分析实例，进行了抗震性能初步评估，采用反应谱法进行抗震分析，对主桥各关键截面进行抗震性能的详细评估，为类似桥梁抗震性能评估工作提供借鉴。

大跨度斜拉桥，反应谱分析，抗震性能评估

0 引言

近三十年，随着我国经济的飞速发展，大跨度桥梁的建设掀起了高潮，尤其是大跨斜拉桥在我国已经广泛运用到城市及公路桥梁设计中。早期建设的桥梁所依据的抗震设防标准已不能满足现行规范要求，加上长时间的运营使用后，其抗震性能明显不佳。因此，有必要对已建桥梁采用可靠的抗震性能评估方法进行抗震性能评估，并依据评估结果采取相应的设计和加固措施，以提高桥梁的抗震能力。

1 工程概述

某大跨斜拉桥主桥为双塔双索面预应力混凝土斜拉桥，主跨224 m，5跨连续的组合为(38+76+224+76+38)m，主桥长为452 m，主塔采用钢筋混凝土门型桥塔，索塔总高73.89 m。主桥一般布置如图1所示。

2 抗震性能初步评估

该桥已服役28年，抗震性能明显下降，故有必要对其进行抗震性能评估。结合国内外评估经验以及我国自身的桥梁结构和地震环境特点按如下5个步骤对该桥进行抗震性能初步评估。

表1 抗震性能初步评估结果

1)抗震最低性能水平的确定；2)地震危险性水平的确定；3)抗震加固等级的确定；4)易损性级别确定；5)桥梁等级判定。

初步评估结果如表1所示。

根据初步评估，得到E1作用下R=10.94，评定结果在10～15，则E1地震作用下桥梁发生破坏的可能性为中等；E2作用下R=18.63，评定结果大于15，则对应地震作用下桥梁发生破坏的可能性较大。

综上，该桥需要进行抗震加固和维修，并要进行抗震性能详细评估。

3 抗震性能详细评估

3.1 空间有限元模型的建立

采用有限元软件SAP2000建立该斜拉桥三维空间有限元计算模型，通过进一步分析其动力特性、动力响应及关键截面的验算来评估该桥的抗震性能。主塔、主梁、桥墩用空间梁单元模拟，斜拉索采用空间桁架单元，采用Ernst公式修正拉索弹性模量，从而考虑拉索的垂度效应。拉索与主梁和主塔均采用刚体限制连接，过渡墩及辅助墩群桩基础用六弹簧模拟桩土作用，塔底由于沉管基础故采用固结处理。有限元模型如图2所示。

3.2 动力特性分析

在本桥的有限元数值模拟过程中，采用Ritz向量法分析了桥梁结构的前600阶振型，振型组合为CQC组合，方向组合为SRSS组合。限于篇幅这里仅列出前10阶自振周期、频率及振型特征，见表2，前5阶振型图见图3。

本桥为全漂浮体系，所以第1阶振型为主梁纵飘，这一振型对主塔顺桥向地震反应贡献最大。第2，第3阶为主塔横弯，对塔柱横桥向地震反应贡献最大。

3.3 关键截面验算结果

3.3.1 地震动输入与反应谱分析

根据GB 18306—2015中国地震动参数区划图和JTG/T B02—01—2008公路桥梁抗震设计细则得到水平加速度反应谱如图4所示。

表2 桥梁自振频率及振型特征

采用线弹性反应谱分析方法，对主桥进行50年10%超越概率(E1地震作用)和50年2%超越概率(E2地震作用)地震水平进行分析。地震动输入采用横向加竖向和纵向加竖向两种组合方式。

3.3.2 关键截面验算

大量震害资料表明：斜拉桥震害主要产生于墩柱和索塔，即使是上部结构破坏的情况，也往往是由于墩柱或索塔等的破坏或大变形引起的。结合抗震性能初步评估的结果，主塔、墩底和基础关键截面是桥梁抗震验算的主要部分。其中主塔关键截面有：截面1，上横梁与主塔连接处截面；截面2，斜拉索最低锚固点截面；截面3，下横梁与主塔连接处截面；截面4，塔底截面。

根据JTG/T B02—01—2008公路桥梁抗震设计细则中地震作用和永久作用的组合规则，对主塔、墩柱和单桩桩基等控制截面在永久作用和地震作用下的最不利轴力组合进行截面的轴力—弯矩—曲率分析，可以得到各控制截面的初始抗弯屈服强度My′、等效抗弯屈服强度My以及极限抗弯屈服强度Mu，并以此进行结构的抗震性能验算。

该桥为对称结构，故取一半结构进行验算，表3,表4列出了在E1和E2地震作用下各关键截面的验算结果。

表3 E1地震作用下控制截面抗弯能力验算

表4 E2地震作用下控制截面抗弯能力验算

由验算结果可知主塔所有关键截面均满足验算要求；过渡墩与辅助墩在横向地震作用下验算合格，在纵向地震动作用下均不满足验算要求；所有桩均不满足抗震验算要求。

4 结语

文章以一座大跨斜拉桥为工程实例，首先对其进行抗震性能初步评估，再通过有限元软件SAP2000建立该空间有限元模型，分析该桥动力特性和抗震验算准则，并对其抗震性能进行研究，得到以下结论：

1)在E1和E2地震作用下，主塔截面抗弯性能均满足预期性能目标要求；辅助墩和过渡墩处最不利桩基的抗弯性能均不满足预期性能目标要求。

2)横向+竖向地震动输入下，各墩墩底截面抗弯性能均满足预期性能目标要求。

3)纵向+竖向地震动输入下，各墩墩底截面抗弯性能基本不能满足预期性能目标要求。

4)本文的抗震性能评估方法，在初步评估阶段能给出一个定量的桥梁等级判定值，为后续的详细评估提供依据；在详细评估阶段，通过模型计算可以定量的判断关键截面抗震性能，为抗震加固的优先级以及维修方案的制定提供重要参考。

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Performance evaluation and seismic analysis of long span cable stayed bridge

Liang Hongchang

(BozhouHighwayAdministrationBureau,Bozhou236800,China)

Combined with the analysis of examples for the engineering of a highway cable-stayed bridge to achieve a preliminary assessment of seismic performance, seismic analysis used the response spectrum method for a detailed assessment of seismic performance of bridge of the key sections, and provided a reference to the similar seismic performance assessment of bridges.

long-span cable-stayed bridge, response spectrum analysis, seismic performance evaluation

1009-6825(2017)21-0130-03

2017-05-18

梁洪昌(1963- )，男，高级工程师

U448.27

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