轨道交通矮塔斜拉桥抗震性能研究

张 莹

（中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070）

1 工程概况

某新建轨道交通工程主桥预应力混凝土矮塔斜拉桥，孔跨布置为（90+160+90）m，采用塔梁固结、塔墩分离体系，引桥小里程为五跨连续刚构，大里程为32 m简支梁。主梁采用单箱双室直腹板变高度预应力混凝土箱梁，顶面宽12.0 m，底面宽8.5 m，跨中合龙段及边跨现浇段、边跨合龙段梁高3.6 m，中支点梁高6.4 m，梁底下缘按1.8次抛物线变化。桥面以上桥塔高25.8 m，主塔采用矩形实心截面，四周设倒角。斜拉索采用扇形布置，索面设置为单索面（双排索），布置在桥梁中心线，斜拉桥与水平线的夹角为16.9°～38.7°，桥墩采用独柱实体墩，基础均为钻孔灌注桩。

2 抗震设防标准

《城市轨道交通桥梁设计规范》（GB/T 51234—2017）中规定，单跨跨度大于或等于150 m的桥梁为A类桥梁，故本桥抗震设防为A类。

抗震设防目标：设计地震下，结构处于弹性工作状态；罕遇地震下，可发生局部轻微损伤，不需修复或经简单修复可继续使用。

3 计算模型和地震动输入

3.1 有限元模型

计算分析采用MIDAS Civil有限元程序进行结构动力分析。主梁、桥塔和桥墩采用梁单元模拟，斜拉索采用桁架单元模拟，只考虑初拉力，不考虑斜拉索垂度效应引起的弹性模量变化，考虑两侧结构对主桥地震响应的影响。

计算模型如图1所示。

图1 全桥动力计算模型

3.2 支座模拟

（1）钢阻尼抗震支座性能。

本桥采用钢阻尼抗震支座，正常工作状态下，由于支座设置了剪力销装置及有限滑移装置，实现了水平力的传递与活动支座因制动力、温度及收缩徐变等载荷作用的常规活动位移，支座本体处于较低的弹性工作状态，阻尼耗能装置不工作。设计地震作用下，支座本体处于弹性工作状态，活动墩参与分担水平载荷，活动型支座钢阻尼器开始工作并处于弹性变形阶段，起到隔震作用。罕遇地震作用下，支座本体处于弹性工作状态，剪力销被剪断，消耗部分能量，同时钢阻尼器开始工作并处于弹塑性变形阶段。通过塑性滞回变形耗散地震能量，活动墩和其他墩及支座共同起到减震作用，实现全桥协同抗震。

出于安全保守设计，在设计地震作用时，不考虑支座阻尼器的作用，抗震支座等同于常规支座受力。罕遇地震作用下，阻尼器工作，支座起到抗震作用。

（2）抗震支座模拟。

①设计地震。

进行非线性时程分析的过程中，在线形模型的基础上，考虑活动支座与梁底的摩擦作用效应，活动支座采用双线性单元模拟。

活动支座的恢复力模型如图2所示。

图2 活动支座恢复力模型

活动支座临界滑动摩擦力Fmax=μd，即滑动摩擦系数，一般取0.02。初始刚度k：

式中：xy——活动支座屈服位移，一般取0.003 m。

②罕遇地震。

罕遇地震时，除考虑活动支座滑动摩擦效应外，还需考虑抗震支座钢阻尼器的耗能效应。

钢阻尼器非线性特性即水平向非线性特征如表1所示。

表1 钢阻尼抗震支座阻尼器刚度参数

3.3 桩基础模拟及地震动输入

桩基础刚度模拟采用承台底加6个方向的弹簧表示。

本桥位于7度区，Ⅱ类场地。根据地震安全性评价报告所提供的100年超越概率为63%（重现期100年）、50年超越概率为10%（重现期475年）和2%（重现期2 475年），分别对应多遇、设计和罕遇三级地震作用。针对本桥，对应设计地震和罕遇地震两种工况进行非线性时程分析，取最大值进行抗震验算。设计地震、罕遇地震程波如图3、图4所示。

图3 设计地震时程波

图4 罕遇地震时程波

4 设计地震响应分析

经计算，桥墩在设计地震作用下均处于弹性工作状态。

底截面混凝土最大应力：21.68 MPa；

钢筋最大拉应力：221.05 MPa；

钢筋最大压应力；164.63 MPa。

抗弯承载力满足要求。

5 罕遇地震响应分析

5.1 采用普通支座时罕遇地震分析

仅采用普通支座时，桥墩墩底截面在罕遇地震组合作用下的产生最大内力。在罕遇地震组合作用下，7#固定中墩墩底顺桥向弯矩大于等效屈服弯矩，说明截面进入屈服，不满足A类桥梁在罕遇地震下的设防目标，故应设抗震支座。

采用普通支座时墩底截面的内力如表2所示。

表2 采用普通支座时墩底截面在罕遇地震作用下的内力

由表2可知，在罕遇地震组合作用下，7#固定中墩墩底顺桥向弯矩＞等效屈服弯矩，说明截面进入屈服，不满足A类桥梁在罕遇地震下的设防目标，故应设抗震支座。

5.2 采用抗震支座时罕遇地震分析

采用抗震支座时，桥墩墩底截面在罕遇地震组合作用下的最大内力如表3所示。

表3 采用抗震支座时墩底截面在罕遇地震作用下的内力

由表3可知，在罕遇地震组合作用下，由于抗震支座发挥作用，使得矮塔斜拉桥的各桥墩弯矩均小于等效屈服弯矩，满足抗震目标要求。

5.3 有无抗震支座的对比分析

通过表2和表3对比可知，罕遇纵向组合作用下，6#活动墩使用抗震支座比使用普通支座弯矩下降了10%，7#固定弯矩下降了82%，减震效果明显。8#、9#活动墩使用抗震支座后，弯矩比只使用普通支座时各增长了38.9%、22.6%。

在罕遇地震作用下，抗震支座的剪力销剪断，活动墩和固定墩协同抗震，仅使用普通支座时，活动墩不起抗震效果，所受弯矩增大。在罕遇横向地震组合作用下，抗震支座对比普通支座，墩弯矩下降53.6%～60.4%，说明抗震效果显著。

6 结语

针对某轨道交通（90+160+90）m矮塔斜拉桥的结构特点，结合抗震支座，应用非线性时程分析方法进行了设计地震和罕遇地震情况下的地震反应响应分析。在设计地震作用下，结构处于弹性状态；在罕遇地震作用下，采用普通支座时，固定中墩墩底截面进入屈服；采用抗震支座时，各桥墩墩底弯矩小于等效屈服弯矩，满足抗震性能目标要求；采用抗震支座与普通支座相比，固定中墩截面纵桥向内力下降82%，活动墩参与协同受力，内力有所增加，各墩横桥向内力下降明显，说明抗震支座起到了良好的效果。