大跨度高低塔斜拉桥时程地震响应分析

吴 卓

(重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)

1 工程概况

泸州市榕山长江大桥位于四川省泸州市合江县榕山镇城区，横跨长江，主桥桥宽24.5 m，引桥桥宽18.5 m，均按公路一级荷载设计，属特大桥。桥梁主桥孔跨布置为(200+530+245+80)m双塔(高低塔)混凝土斜拉桥；引桥孔跨布置为12 m×25 m预应力混凝土简支小箱梁，全桥长1 371 m。泸州榕山长江大桥工程拟采用一级公路技术标准。榕山长江大桥部分结构从左往右依次为左岸桥台，低塔，高塔，辅助墩，交界墩，其中辅助墩有左肢和右肢共两肢，交界墩有左肢、中肢和右肢共三肢。

2 有限元模型与动力特性

2.1 有限元模型的建立

采用有限元分析软件Midas/civil建立包括主桥(桥塔、斜拉索、主梁、桥墩、桥面板和桩基)和引桥一体的三维有限元模型。其中主桥桥塔、主梁、桩基、桥墩采用空间梁单元来进行模拟，桥面板由板单元模拟，斜拉索由空间桁架单元来进行模拟。对于斜拉索与桥塔、斜拉索与主梁的连接，通过共用同一个结点来实现；桥塔与主梁、辅助墩与主梁和交界墩与主梁通过设置弹性连接来模拟盆式橡胶支座连接；对于主塔、辅助墩和交界墩下群桩和土体之间的桩—土相互作用的模拟，采用集中质量法将桩—土离散为质量—弹簧—阻尼系统，其中等代土弹簧单元的刚度采用“m”法确定。

2.2 动力特性分析计算

结构的动力特性(周期和振型)是结构本身固有的属性，只与结构本身有关(如质量、刚度和约束方式等)，需要注意在有限元模型分析处理时要用到荷载转化为质量功能将附加的构件荷载转化为质量以进行分析。本文运用Lanczos法计算桥梁的前400阶模态，得到顺桥向(DX)累计振型参与质量97.50%，横桥向(DY)累计振型参与质量96.37%，竖向(DZ)累计振型参与质量90.30%。本文只给出模型的前十阶模态及其描述(表1)和前三阶模态图(图1～图2)。

表1 桥梁动力特性表

图1 第一阶振型(周期11.269 9 s)

图2 第二阶振型(周期5.076 2 s)

由计算结果可以看出：

(1)该斜拉桥的一阶振型为主梁纵飘，一阶自振周期为11.269 9 s，远高于二阶振型主梁横向振动(自振周期5.076 2 s)，说明榕山长江大桥纵向约束较为薄弱，地震发生时容易产生破坏，应予以适当加强；

(2)该斜拉桥的五阶振型出现了主塔侧弯，主塔的抗弯刚度在地震中起到重要作用，在进行抗震分析时应注意限制主塔的侧向位移；

(3)该斜拉桥的九阶振型出现了主梁的扭转振动，说明该斜拉桥的主梁抗扭能力相对较大。

3 时程地震响应分析

3.1 选取地震波

采用地震波生成软件SeismoArtif生成7条地震波，由《公路桥梁抗震设计细则》(JTG-TB02-01-2008)规定，选用拟合的7条地震波内的3条相对较好的地震波，抗震分析时取三者最大值，规范生成的反应谱与选用的地震波对比见图3，由此可知选用的三条地震波效果较好，三条人工波如图4～图6所示。

图3 规范反应谱与人工波对比

图4 人工地震波1

图6 人工地震波3

3.2 分析工况

根据《公路桥梁抗震设计细则》，在进行桥梁抗震分析时，需要考虑水平地震作用(包括横桥向地震作用和顺桥向地震作用)和竖向地震作用的共同响应，同时细则指出，计算时竖向地震时程可取水平地震时程的2/3，本文在运用Midas/civil计算地震作用时竖向地震时程的取值方式为水平地震时程乘以0.667。

《公路桥梁抗震设计细则》(JTG-TB02-01-2008)第6.5.2条规定，时程分析的最终结果，当采用3条地震波计算时，取3条地震波计算结果的最大值作为最终结果，固最终工况如表2所示。

表2 地震时程工况表

3.3 内力计算结果

按照设定工况进行计算并进行组合，最终得到工况7和工况8的结果，其中工况7(纵桥向地震作用+竖向地震作用)部分控制截面内力计算结果见表3， 工况8(横桥向地震作用+竖向地震作用)部分控制截面内力计算结果见表4。表3和表4中最后一列为相应控制截面按照规范规定最小配筋率配筋后的截面承载能力限值。

表3 工况7(纵桥向地震作用+竖向地震作用)

表4 工况8(横桥向地震作用+竖向地震作用)

从表3和表4可以看出：

(1)该斜拉桥在横桥向地震作用+竖向地震作用下截面内力高于其在顺桥向地震作用+竖向地震作用下截面内力，说明该斜拉桥横向刚度比竖向刚度薄弱，地震发生时会优先发生横向破坏，应加强横向联系增大其横向刚度；

(2)该斜拉桥各控制截面在规范最小配筋率下其抗弯弯矩远大于相应截面在地震作用时产生的弯矩，说明该斜拉桥抗震能力较好。

3.4 支座验算

《公路桥梁抗震设计细则》(JTG-TB02-01-2008)第6.3.7条规定，抗震分析时应考虑支座的影响，各支座在横向地震作用+纵向地震作用下的横向剪力如表5所示，其中表5中的最后一列为盆式橡胶支座剪力承载力极限值。

表5 横向+竖向地震作用下各支座横向剪力

从表5可以看出，左岸桥台处支座横向抗剪能力存在不足情况，建议在桥台、主梁和桥墩及塔梁之间设置横向限位装置，并在横向限位装置与主梁的横向自由间隙中填充缓冲材料，减小冲击碰撞作用。

4 结 论

(1)斜拉桥横向刚度比竖向刚度薄弱，地震发生时会优先发生横向破坏，应加强横向联系增大其横向刚度；

(2)斜拉桥各控制截面在规范最小配筋率下其抗弯弯矩远大于相应截面在地震作用时产生的弯矩，说明该斜拉桥抗震能力较好；

(3)桥台处支座横向抗剪能力存在不足情况，建议在桥台、主梁和桥墩及塔梁之间设置横向限位装置，并在横向限位装置与主梁的横向自由间隙中填充缓冲材料，减小冲击碰撞作用。