独塔斜拉桥组合桥塔抗震性能评估

陈冠华

(福州市规划设计研究院集团有限公司 福州 350108)

1 工程概况

由于我国大量的桥梁修建在地震活动频繁区域，大跨径桥梁作为重要的生命线，其在强震作用下的破环会造成不可估量的经济损失和人员伤亡。因此，在设计桥梁造型的同时，也要考虑桥梁的抗震性能[1]。

八尺门大桥位于福鼎市八尺门湾，主桥采用33 m+67 m+200 m独塔单索面混合梁斜拉桥[2-3]，边跨设置辅助墩，塔梁墩为固结体系。桥梁总体布置图见图1。桥梁设计荷载等级为城-A级，桥面宽33 m，双向六车道。主梁为混合梁，主跨部分主梁采用钢箱梁[4]，边跨主梁采用混凝土梁。斜拉桥结构体系中，桥塔是结构最为主要的受力构件，同时也是桥梁艺术美感的重要体现之处。该桥的特色之处在于桥塔的设计，即采用了混凝土主塔配以钢混附属塔的混合塔形式，形成带有“一帆风顺”寓意的风帆造型的桥塔，桥塔高度为84.41 m。从设计角度而言，此种桥塔的主塔以承受竖向压力为主，附属塔的存在将对主塔产生较为不利的偏心作用，受力较常规桥塔有所不同。为明确此种组合桥塔的动力性能，特别是地震作用下的反应特点，本文通过建立全桥动力分析模型，对比附属塔对桥塔地震反应的影响规律，进而评估此种混合塔的抗震性能。

图1 八尺门大桥总体布置图(单位：m)

2 动力分析模型的建立与地震动输入

2.1 有限元模型的建立

本文采用midas Civil有限元分析程序，分别建立了3种动力模型。

M1。混凝土主塔+钢混附属塔的独塔斜拉桥模型见图2a)所示。

M2。混凝土主塔+混凝土附属塔的独塔斜拉桥模型见图2b)所示。

M3。不考虑附属塔的斜拉桥模型见图2c)所示。

M1中，全桥由201个梁单元及60个索单元组成；桥塔及主梁采用梁单元模拟，斜拉索采用只受拉索单元模拟，并考虑了索的非线性作用。为简化分析，边界条件取为桥塔承台底部固结，边墩及辅助墩顶支座采用弹性连接，释放顺桥自由度的同时约束横桥向自由度[5]。M2的建立是通过替换附属塔中间部分的钢结构为混凝土结构予以实现，M3则是通过在M1的基础上删除附属塔结构予以实现。

图2 动力分析数值模型

2.2 地震动输入

桥梁所处位置抗震设防烈度为6度，场地类别II类，抗震设防类别为甲类。根据CJJ 166-2011 《城市桥梁抗震设计规范》[6]的规定，本文选取地震安评报告[7]提供的3条人工波作为输入地震动，地震动峰值取为 0.24g。抗震分析计算方法采用时程分析方法，并且每条地震波分别沿结构的纵向与横向输入。输入地震波的时程曲线图见图3。

3 动力特性分析

桥梁结构的动力特性分析是抗震性能评估的基础。本文对3种动力分析模型分别进行了动力特性分析，并提取各自前5阶振动形态进行对比。动力特性分析结果见表1。

限于篇幅，本文仅列出M1模型具有代表性的前3阶振型，示意见图4。

图4 八尺门大桥M1前3阶振型

从结构的振动形态上看，相较于主梁的竖向抗弯刚度而言，桥塔的横向刚度较小，因此，桥塔的面外弯曲振动形态较早出现；其次，结构的振动形态表现出了多振型耦合的特点，主梁的竖向振动与桥塔的纵向弯曲振动形式耦合效应明显。此外，从结构的自振频率来看，由于结构体系采用了塔梁墩固结体系的形式，因此相较于常规漂浮与半漂浮体系而言，结构的自振周期相对较短。

从结构形式的变化来看，与不考虑附属塔结构相比，含有附属塔结构的自振周期略有延长，但影响程度较小；而更改附属塔部分结构材料对整体结构的自振特性的影响可忽略不计。因此就动力特性而言，将附属塔部分改成钢结构形式，在大大提高施工便利性的同时，并不会对结构的振动特性产生影响。

4 地震反应

为全面了解桥梁的抗震性能，采用时程分析方法探讨结构的地震反应特性，进而分析桥梁的抗震性能[8-11]。根据规范，在输入3条地震动加速度记录时，取3条地震动时程分析结果的最大值作为结构的地震反应结果。

4.1 结构位移反应

桥塔分别在纵向、横向地震动作用下的位移反应情况图见图5。3种模型位移反应表格见表2。

图5 塔墩结构位移反应

表2 3种模型位移反应表 mm

由图5及表2可知，无论桥塔是否存在附属塔，主塔的横向刚度均小于纵向刚度，主塔塔顶的横向位移明显，位移量约为48 cm左右，这与结构动力特性的分析结果一致。同时，带有附属塔的桥塔结构的横向位移较为接近，与不考虑附属塔情况相比，位移增加量约为1.4%，可近似认为附属塔对结构横向位移反应的影响不大。附属塔的存在对桥塔纵向的位移反应略有影响，与不设置附属塔情况相比，钢混附属塔塔顶的位移反应增加约为5.2%，基本与仅有主塔的情况较为接近，而混凝土组合塔主塔塔顶位移增加量约为18%。混凝土组合塔在增加塔身刚度的同时，由于自身重量较大，因此造成塔顶的位移也相对较大。

4.2 地震内力反应

塔墩结构在地震作用下的弯矩情况图见图6。

图6 塔墩结构弯矩

由图6可见，塔墩结构的地震内力反应以横向更为突出，在设计中应对横向抗震设计予以足够的重视，避免出现横桥向的严重损伤；此外，从桥塔的内力反应来看，配有钢混附属塔的主塔结构其塔底纵向地震弯矩为3种桥塔方案中的最小值，塔底内力反应减小幅度约为14%；横向地震反应则介于不考虑附属塔以及考虑混凝土附属塔两者之间，由此可以说明，钢混附属塔的配置一定程度上分担了主塔的地震内力，有利于组合塔的抗震，其抗震性能优于其他2种结构。

4.3 附属塔地震内力反应

表3列出了2种附属塔结构在塔底截面及钢混连接截面处的地震内力反应结果。

表3 2种不同材料附属塔结构地震内力反应

由表3可知，对于附属塔结构，在相同地震动强度作用下，钢混形式的附属塔关键截面的地震内力反应明显低于混凝土附属塔，钢混附属塔关键截面的内力反应仅为混凝土附属塔关键截面内力的22%～70%，这说明在满足美观要求的同时，钢混结构附属塔在一定程度上减轻主塔地震反应，也使得自身的抗震性能优于混凝土桥塔。

5 结语

本文以福鼎八尺门大桥为背景，重点讨论了八尺门大桥组合桥塔结构的抗震性能，得到以下主要结论。

1) 通过动力特性分析可以看出，组合桥塔结构的斜拉桥，建筑材料的改变对结构动力特性的影响可忽略不计，组合塔结构的自振周期略有延长，且振动特性以桥塔的面外振动以及桥塔与主梁的耦合振动为主。

2) 就组合塔结构的地震反应特点而言，组合塔结构形式对纵向位移的反应有所区别，钢混结构组合塔的纵向位移介于其他2种桥塔形式之间，横向位移反应差别不大；但从内力反应来看，钢混组合塔除降低了自身的地震内力相应外，同时还减小了主塔的地震内力响应，进而一定程度上提升了主塔的抗震性能。

综合考虑上述分析结果，采用钢混组合桥塔的结构形式，在实现桥梁立体景观及便于施工的要求的同时，也在一定程度上优化了主塔的地震反应，提升了桥塔结构的抗震性能。