结构体系对独塔斜拉桥抗震性能影响分析

陈 启

（西安市浐灞河发展有限公司，陕西 西安 710024）

斜拉桥因跨越能力较强、经济指标优秀、施工较为方便等特点，在大跨径桥梁的设计中被广泛采用[1]，其中独塔斜拉桥因美观的造型、较为轻盈的梁体，更受青睐。为体现美感或满足河道通航要求，独塔斜拉桥常采用不等跨布置，其结构体系不仅受静力影响，很大程度上还受制于抗震动力性能[2]。近年来，随着抗震设计的完善，人们对独塔斜拉桥的抗震性能有了进一步的重视，其抗震分析与合理的结构形式选定也受到了越来越多的关注。

一般而言，刚构体系是独塔斜拉桥较为适宜的结构体系；但在地震高烈度区，若体系刚度过大、自振周期较小，会导致地震反应过于强烈，桥塔底部受到较大地震内力的作用[3]。因此，寻找合适的结构体系，使独塔斜拉桥在满足施工方案、景观要求以及正常使用状态结构受力的同时，还能更好地适应地震作用、提升结构抗震性能，就显得十分必要。本文以某不对称独塔斜拉桥为例，对其抗震动力性能进行分析，寻求合理的结构体系。

1 工程概况

某双柱双索面独塔双跨式斜拉桥跨径为110 m+85 m；梁上塔柱高63.9 m，方向竖直向上；大跨侧采用钢混组合截面，小跨侧为预应力混凝土结构；组合结构梁高为2.5 m，预应力混凝土侧梁高由2.5 m逐渐过渡到2.2 m。见图1。

图1 桥型立面布置

桥塔为矩形截面；组合截面梁为双主梁截面形式，通过钢横梁连接；预应力混凝土箱梁侧为单箱多室截面；组合梁跨拉索间距9 m左右，预应力混凝土主梁侧拉索间距6.5 m左右。见图2。

图2 桥型横断面布置

桥位处场地地震动峰值加速度为0.2g，地震基本烈度为Ⅷ度，场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.4 s；抗震设防类别为B类，抗震措施等级为四级，抗震设计方法为1类。

通过成桥状态静力分析，考虑支座吨位、主梁顺桥向稳定性，桥梁体系初步确定为半漂浮体系和刚构体系。半漂浮体系为塔墩固结，塔梁间设置固定支座[4]。由于场地地震基本烈度较高，桥梁体系受制于抗震性能；因此，有必要对两种体系的抗震性能进行分析比较。

2 桥梁结构计算模型建立及模态分析

2.1 模型建立

结构质量、阻尼、刚度及边界条件的简化与选取直接影响抗震时程分析的精度，是抗震时程分析的关键[5]。

该桥由钢筋混凝土主塔、预应力混凝土箱梁、钢混结合梁和斜拉索组成，材料包括C50混凝土、Q345钢材和平行钢丝束。采用ANSYS有限元分析软件对其进行抗震时程分析，纵梁、横梁、桥塔、桥墩采用Beam188单元模拟，拉索采用Link8单元模拟，拉索与桥塔及主梁间的连接、桥墩与承台间的连接刚臂均用MPC184单元模拟，桥面二期铺装、护栏及锚箱采用Mass21单元模拟，支座采用主从约束进行模拟，桩基刚度采用Matrix27单元模拟。截面分为组合截面和普通截面两种，均由CAD导入形成，拉索采用实常数定义截面特性。见图3。

图3 计算模型

静力状态下，半漂浮结构体系与刚构体系反力基本一致。见表1。

表1 静力状态下恒载反力

对于动力状态，本次以E2地震下的地震波来进行分析比较，采用当地时程波，通过加速度方式输入，包括顺桥向、横桥向和竖向3个方向的地震作用。

2.2 模态分析

采用模态分析来初步判断两种结构体的振动型式并得到各阶模态的频率。半漂浮结构体系一阶模态下主塔对称侧弯，频率为0.557 Hz；二阶模态下主塔反对称侧弯，频率为0.558 Hz；三阶模态下主梁竖弯，频率为0.704 Hz；四阶模态下主梁扭转，频率为1.143 Hz；五阶模态下主梁竖弯，频率为1.173 Hz。刚构体系一阶模态下主塔反对称侧弯，频率为0.558 Hz；二阶模态下主塔对称侧弯，频率为0.563 Hz；三阶模态下主梁竖弯，频率为0.785 Hz；四阶模态下主梁扭转，频率为1.158 Hz；五阶模态下主梁竖弯，频率为1.241 Hz。见图4和图5。

图4 半漂浮结构体系

图5 刚构体系

两种结构体系除一阶、二阶呈相反模态外，其余三阶模态均相近且刚构体系的频率比半漂浮结构体系略高。

选取主塔侧弯及主梁竖弯两个模态振型，计算瑞利阻尼参数

式中：ε为阻尼比，按0.03取值；ω1与ω2为对应模态振型的频率；α与β为瑞利阻尼参数。

两种结构体系的瑞利阻尼参数见表2。

表2 瑞利阻尼参数

由表2可知，半漂浮结构体系与刚构体系的瑞利阻尼系数相差不大，其中参数α相差约0.4%、参数β相差约2.8%。

3 抗震时程分析

选取3组当地实测地震时程波，每组均包含顺桥向、横桥向和竖向3条波，每条地震波时长10 s，间隔为0.01 s，共1 000个加速度时程数据，不考虑阻尼器的作用。采用完全法的直接积分方法，积分数值计算方法采用Newmark算法，取γ=0.005并将计算的3组地震响应取包络值。见图6-图8。

图7 主梁竖向地震弯矩

图8 主塔根部顺桥向地震弯矩

由图6-图8可知：刚构体系相较于半漂浮结构体系塔顶顺桥向位移大21.4%；两种结构体系的主梁最大竖向地震弯矩均出现在塔梁连接处，但刚构体系相较于半漂浮结构体系主梁根部竖向地震弯矩大42.9%，从主梁受力来看，半漂浮结构体系的抗震性能优于刚构体系；两种结构体系的主塔顺桥向最大弯矩均出现在塔根，刚构体系相较于半漂浮结构体系主塔根部顺桥向地震弯矩大10.7%，从主塔受力来看，半漂浮结构体系抗震性能优于刚构体系。

两个方案的验算结果见表3。

表3 两种结构体系验算结果

由表3可知，两种结构体系的塔顶横桥向位移、主梁横向剪力、主梁横向弯矩、边墩支座横桥向水平剪力差异并不显著；半漂浮结构体系的塔顶顺桥向位移、主梁竖向剪力、主梁竖向弯矩、主塔顺（横）桥向剪力、主塔顺（横）向弯矩等均大幅低于刚构体系。综上所述，半漂浮结构体系抗震性能优于刚构体系；但半漂浮结构体系的中墩固定支座会承受较大的水平剪力。

4 结论

1）半漂浮结构体系与刚构体系除前两阶振型呈相反趋势外，其余各阶振型均比较接近且刚构体系的自振频率略高于半漂浮结构体系。

2）半漂浮结构体系与刚构体系的塔顶横桥向位移、主梁横桥向剪力、主梁横桥向弯矩、边墩支座横桥向水平剪力差异均不显著，但半漂浮结构体系其余各地震内力、位移均大幅度低于刚构体系，其抗震性能优于刚构体系。因此，对于在地震高度烈度区设置的独塔斜拉桥，半漂浮结构体系是相对理想的结构体系。

3）虽然半漂浮结构体系的大部分内力、位移均优于刚构体系，但其中墩固定支座的水平剪力偏大，在实际工程中需着重对该支座进行合理选型设计或增设阻尼器等，以有效降低水平剪力。