支座剪断对独塔斜拉桥抗震性能影响的研究

王龙

（石柱土家族自治县交通局 农村公路管理站，重庆409100）

独塔斜拉桥的索塔往往具有足够的抗震性能，一般情况下不宜发生严重损伤或破坏，边墩和过渡墩在顺桥向采用滑动体系，可以有效的降低地震响应，但在横桥向采用固结体系，则会急剧放大其地震响应。支座作为独塔斜拉桥的重要约束体系，同时也是上部结构地震力传递的关键构件，其性能完好程度对结构抗震性能的影响值得进一步研究[8]。

本文主要针对某新建独塔斜拉桥的抗震问题展开研究。由于采用塔梁固结体系，桥塔两侧边墩在横桥向往往采用固结体系，在横向地震作用下上部结构地震力通过支座传递到下部桥墩，因此，支座在地震作用下工作性能完好程度直接决定上部结构地震力的传递。有鉴于此，本文结合桥梁特点，对考虑支座横向剪断和不考虑支座横向剪断两种情况下结构抗震性能进行对比研究，以期揭示支座性能对结构抗震性能影响规律，为工程抗震设计提供技术参考[3]。

1 工程概况

某市新建独塔斜拉桥全长396m，主桥采用145m+75m 独塔斜拉桥，主桥宽度为33.6m；引桥采用22m 装配式预应力混凝土刚接空心板梁，引桥长度为176m，宽度为22m。全桥跨径组合为：3×22（引桥）+145m（主跨）+75m（边跨）+5×22（引桥）=396m。主塔及桥墩桩基采用φ150cm 钻孔灌注桩基础，按摩擦桩设计，持力层为粉砂层，桩端采用后注浆工艺。桥跨布置及整体断面布置见图1。

图1 桥梁总体布置图

2 分析基础

2.1 有限元模型

采用SAP2000 建立全桥有限元模型，如图3 所示。主梁、索塔、过渡墩都用空间梁单元模拟。斜拉索采用只受拉空间桁架单元模拟，按Ernst 公式修正垂度效应[3]，并考虑恒载初始内力所引起的几何刚度变化。支座采用弹簧单元模拟，其中活动方向按双线性滞回模式考虑滑移摩擦效应，摩擦系数取5%。桩-土共同作用采用6×6 集中土弹簧模拟，弹簧刚度系数根据m法计算得到。体系阻尼采用Rayleigh 模型，阻尼系数取3%[3]。

图2 全桥有限元分析模型

2.2 分析工况

本文在独塔斜拉桥考虑支座剪断和支座完好两种情况下，对结构E1/ E2 两水准抗震性能进行对比研究，共计分析两个工况，各分析工况支座设置见表1。

表1 分析工况支座设置

2.3 地震动输入

场地安评报告提供了E1/ E2 地震下的设计反映谱和各7条地震波时程曲线。图3 为典型加速度时程曲线和设计反应谱，由图可知，匹配情况良好。采用非线性时程分析研究表1 中的各分析工况，鉴于本文研究变量为支座横向剪断，故仅对横向地震作用进行分析，地震动输入采用横向+竖向方式。

图3 地震动输入

3 分析结果与讨论

3.1 地震响应分析

采用非线性时程分析法对独塔斜拉桥在考虑支座剪断和支座完好两种情况下的地震响应进行分析。为减小地震动频域差异对分析结果的影响，本文E1/E2 地震分析结果取七条实际波的平均值，结构关键构件地震响应如下。

表2 结构关键构件E1 地震响应值

表3 结构关键构件E2 地震响应值

表4 结构关键截面E1 地震抗震性能分析

表5 结构关键截面E2 地震抗震性能分析

由表2、表3 地震响应分析结果可得：在独塔斜拉桥过渡墩固定支座横向剪断后，主梁等上部结构地震力无法有效传递至下部桥墩，从而导致两侧过渡墩关键截面地震响应呈减小趋势，相比支座性能完好，支座剪断后过渡墩内力减小最多可达20%；同理，由于支座剪断后两侧过渡墩为主塔分担的横向地震力减小，从而导致主塔地震响应增大，具体表现为塔底截面内力增大20%，塔顶位移增大8%左右；主梁两端由于缺乏支座横向约束，横向位移急剧增大，具体表现为，在E1 地震下增加1.7倍，在E2 地震下增加70%倍。

3.2 抗震性能分析

为研究支座剪断对独塔斜拉桥横向抗震性能的影响，结合前面小节对地震响应分析结果，采用能力需求比法，对结构关键截面E1/E2 两水准抗震性能做出分析，分析结果如下：

由表4、表5 分析结果可得：独塔斜拉桥在考虑支座剪断和支座完好两种情况下，各关键截面均能抗震性能要求；对比各关键截面能力需求比值可得，支座剪断后两侧过渡墩能力需求比值略大于支座完好能力需求比值，安全储备更高；反之，桥塔关键截面在支座剪断后的能力需求比支座完好时略小，安全储备稍低。

4 结论

本文主要结论如下：

4.1 对于本文的独塔斜拉桥而言，考虑支座剪断后，由于主梁在两侧过渡墩处没有了横向约束，主梁等上部结构的横向地震力不能有效传递至两侧过渡桥墩，过渡桥墩横向地震响应有减小趋势，对于过渡墩而言是有利于抗震的；同理，由于两侧过渡对主塔地震力分担作用减小，主塔横向地震响应呈增大趋势，此时对主塔抗震是不利的。

4.2 由于支座发生剪断破坏，因此主梁在两侧过渡墩处丧失了横向约束，导致主梁在两侧梁端的横向地震位移响应大幅增加，在E2 地震作用下，梁端的最大位移达189.2mm。

4.3 由于支座发生剪断破坏，尽管主梁梁端的横向位移响应大幅增大，但抗震验算表明，主桥结构的索塔、主墩关键结构构件的抗震性能均满足预期的性能目标。从这个角度来看，允许支座在地震作用下发生剪断破坏并不会引起主桥结构关键构件的抗震安全。

注释

①SX 表示双向支座、DX 表示横向固定支座.

②地震响应比表示结构考虑支座剪断地震响应值与支座完好地震响应值的比值.