某三塔矮塔斜拉橋抗震性能分析

覃　丹，梁　才，廖宸鋒

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，廣西　南寧　530029)

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某三塔矮塔斜拉橋抗震性能分析

覃丹，梁才，廖宸鋒

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，廣西南寧530029)

近年來，矮塔斜拉橋在國內(nèi)得到了快速發(fā)展，但對于其抗震性能方面的研究較少，尤其是多塔矮塔斜拉橋的抗震分析更是較少研究。文章以某三塔矮塔斜拉橋為例，采用反應(yīng)譜法和時程分析法進行抗震性能分析，其計算結(jié)果可為同類型橋梁設(shè)計提供參考。

矮塔斜拉橋；動力特性；抗震；反應(yīng)譜；時程分析

0　引言

矮塔斜拉橋在國內(nèi)發(fā)展的歷史還不到20年，即已成為應(yīng)用非常廣泛的一種橋型。然而目前對其抗震性能方面的研究較少，尤其是應(yīng)用更少的多塔矮塔斜拉橋的抗震相關(guān)研究就更少，其實際的抗震性能目前也尚未有定論。矮塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)構(gòu)造介于斜拉橋與梁式橋之間，因此其地震反應(yīng)也較為復(fù)雜。本文以某三塔矮塔斜拉橋為例，采用反應(yīng)譜與時程分析綜合對比的有限元動力分析方法，根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細則》(JTG/T B02-01-2008)中的抗震設(shè)防目標(biāo)，對該橋的抗震性能進行分析評估，所得結(jié)論可供同類型橋梁抗震設(shè)計及分析參考。

1　工程概況

某大橋主橋采用(90+165+165+90)m單索面三塔預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，橋?qū)?0.5 m，全橋共3個主塔，塔高22.0 m，與箱梁固結(jié)。斜拉索為單索面體系，扇形布置，橫橋向布置在中央分隔帶上，共布置兩排，間距為1.0 m。斜拉索梁上間距4 m，塔上理論索距0.8 m。主墩采用雙肢薄壁墩，鉆孔灌注基礎(chǔ)。主跨結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，主橋支座布置如圖2所示。

圖1　主橋橋型布置圖(單位：cm)

圖2　主橋支座布置示意圖

2　空間動力特性分析

在橋梁的抗風(fēng)、抗震等動力分析中，正確反映結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量分布、支承條件等是分析結(jié)果正確與否的必要前提，而該前提就是對結(jié)構(gòu)的動力特性進行分析，以此判斷分析模型是否滿足作為動力分析基礎(chǔ)模型的條件。

2.1主橋有限元模型的建立

根據(jù)設(shè)計圖紙中的施工階段、結(jié)構(gòu)布置和結(jié)構(gòu)尺寸，采用Midas/Civil 2013軟件建立有限元模型對主橋結(jié)構(gòu)進行動力特性分析。引橋部分的影響采用附加荷載并將荷載轉(zhuǎn)換為質(zhì)量的方式進行考慮。全橋模型劃分為1 300個節(jié)點、1 288個單元。下部土層對樁基的作用采用“m”法計算并放大2倍的土彈簧剛度進行模擬。有限元計算簡圖如圖3所示。

圖3　主橋結(jié)構(gòu)動力特性分析有限元模型圖

2.2結(jié)構(gòu)動力特性分析

根據(jù)上述建立的有限元動力計算模型，對該橋的動力特性進行分析。運用Ritz向量法求出與三個平動地震動輸入直接相關(guān)的前90階振型，X、Y、Z三個方向的平動振型參與質(zhì)量分別是98.51%，96.81%，99.59%，滿足振型參與質(zhì)量達到總質(zhì)量90%以上的要求，可作為抗震分析的基礎(chǔ)模型。

限于篇幅，本文僅給出前4階振型圖，如圖4～7所示。全橋前十階動力特性分析結(jié)果如表1所示。

圖4　第1階振型圖(T=1.995 s)

圖5　第2階振型圖(T=1.634 s)

圖6　第3階振型圖(T=1.237 s)

圖7　第4階振型圖(T=1.038 s)

振型階數(shù)頻率(Hz)周期(s)振型特征10.5012401.995054橋墩縱彎+主梁波浪形豎彎20.6118711.634331主梁反對稱豎彎30.8081571.237383主梁對稱豎彎40.9636461.037725中塔墩和主梁橫彎51.3005130.768927主梁反對稱橫彎61.3248330.754812主梁波浪形豎彎71.3843910.72233917#交界墩橫彎81.4131090.707659主梁對稱豎彎91.5190360.65831213#交界墩橫彎101.7138000.583499主梁反對稱豎彎

由表1分析可知，一階振型頻率為0.501 240，周期1.995 054 s，較一般的斜拉橋低。橋梁結(jié)構(gòu)體系在一階振型為縱飄振型，說明其抗水平剛度相對較弱，這也符合雙肢薄壁墩結(jié)構(gòu)型式的受力特點。

經(jīng)過上述分析，說明所建立的動力分析基礎(chǔ)模型滿足下一階段抗震分析的要求，并發(fā)現(xiàn)本橋結(jié)構(gòu)體系的動力薄弱部分體現(xiàn)在橋墩上，因此抗震分析中需重點關(guān)注。

3　地震響應(yīng)分析

以前述滿足要求的動力特性分析模型為基礎(chǔ)，輸入橫橋向、縱橋向、豎向三個方向的地震力，對本橋的抗震性能進行分析。

抗震分析時，在E1線性分析中，支座采用彈性連接模擬，忽略滑動支座摩阻力；在E2非線性時程分析中，支座按滯后系統(tǒng)考慮滑動摩阻力，取滑動摩擦系數(shù)0.02，屈服位移0.003 mm。分析的重點對象為前述的橋墩、基礎(chǔ)等潛在的塑性鉸區(qū)域。

3.1反應(yīng)譜分析

根據(jù)本橋場地地震安全性評價報告，采用以下公式擬合場地地表實際計算的加速度反應(yīng)譜。其表達式為：α(T)=Am×β(T)

(1)

式中：α——場地加速度反應(yīng)譜；

Am——設(shè)計地震動峰值加速度；

β(T)——設(shè)計地震動加速度放大系數(shù)譜；

T——周期。

地震反應(yīng)分析時，采用100年超越概率10%和100年超越概率3%(以下簡稱E1和E2概率水平)，阻尼比為5%的反應(yīng)譜進行分析。豎向設(shè)計加速度反應(yīng)譜為按水平向設(shè)計加速度反應(yīng)譜乘以系數(shù)0.65。

計算時同時考慮順橋向(X)+橫橋向(Y)+豎橋向(Z)的地震作用，其總的作用效應(yīng)按式(2)求值：

(2)

通過反應(yīng)譜計算結(jié)果，對三個方向地震的結(jié)果采用SRSS組合，并和恒載作用下的結(jié)果進行組合，分別得出橋墩、索塔、樁基在E1、E2組合作用下的縱橋向與橫橋向的彎矩組合。各部位的抗彎能力取最不利軸力對應(yīng)的首次屈服彎矩。通過對比，各部位的驗算結(jié)果如表2～4所示(限于篇幅，文中僅給出E2地

震作用的結(jié)果)。

表2　E2概率反應(yīng)譜分析橋墩強度驗算表

表3　E2概率反應(yīng)譜分析索塔強度驗算表

表4　E2概率反應(yīng)譜分析樁基強度驗算表

通過計算結(jié)果可知，縱向地震作用下，兩個邊主墩較中主墩受力大；橫向地震作用下，邊主墩與中主墩分配的力相當(dāng)；縱向地震作用下，邊主塔較中主塔受力大；橫向地震作用下，中主塔較邊主塔受力大；索塔受力最大區(qū)域在塔底；中主墩樁基較邊主墩樁基受力大，且樁基控制受力工況為橫向地震作用。

3.2時程分析

根據(jù)場地地震安全性評價報告中提供的基巖人工合成地震波以及得到的相應(yīng)工程場地設(shè)計地震動加速度時程，取每個概率水平各給出三條設(shè)計地震加速度時程，每一組地震時程為橫橋向+豎向和順橋向+豎向分別輸入，取各方向的最不利計算結(jié)果。本文選取設(shè)計加速度時程為三組，最終結(jié)果取三組時程波結(jié)果的最大值，見表5～7(限于篇幅，文中僅給出E2地震作用的結(jié)果)。

通過計算結(jié)果可知，在非線性時程地震作用下，橋墩、索塔、樁基等的受力規(guī)律與反應(yīng)譜分析結(jié)果基本一致。

3.3反應(yīng)譜與時程分析結(jié)果比較

對比本橋反應(yīng)譜及時程分析結(jié)果可知，在地震作用下，不同構(gòu)件的控制內(nèi)力工況也有所不同，如主墩在縱向地震作用下的最不利工況為E2非線性時程分析，而在橫向地震作用下的最不利工況為E2反應(yīng)譜分析，因此設(shè)計時應(yīng)按抗震相關(guān)規(guī)范要求同時進行反應(yīng)譜及時程分析，以確保構(gòu)件設(shè)計的安全。

表5　E2概率線性時程分析橋墩強度驗算表

表6　E2概率線性時程分析索塔強度驗算表

表7　E2概率線性時程分析樁基強度驗算表

4　結(jié)語

通過以上分析，可得出以下結(jié)論：

(1)本橋自振周期比一般的斜拉橋要低。由于采用雙肢薄壁墩，在第一階振型中橋墩就產(chǎn)生了縱彎，因此抗震設(shè)計時應(yīng)重點加強主墩的截面及配筋設(shè)計；同以往研究規(guī)律類似，高階振型對本橋結(jié)構(gòu)的影響也較小。

(2)通過反應(yīng)譜及時程分析的結(jié)果可知，對采用雙肢薄壁墩的三塔矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)，橋墩是地震作用下受力薄弱的部位，相對而言，地震力對索塔及基礎(chǔ)受力并非起控制作用；不同的地震力組合工況下，邊主墩及中主墩所承擔(dān)的地震力有所不同，縱向地震組合時，邊主墩為控制受力部位，橫向地震組合時，邊主墩與中主墩分配的力比例相當(dāng)。

(3)在抗震設(shè)計中，構(gòu)件的受力并非單純地由反應(yīng)譜或時程分析控制，因此應(yīng)同時進行反應(yīng)譜及時程分析驗算，以便找出構(gòu)件最不利受力，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全。

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Analysis on Anti-seismic Performance of A Three-tower Extra-dosed Cable-stayed Bridge

QIN Dan，LIANG Cai，LIAO Chen-feng

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

In recent years，the extradosed cable-stayed bridge has been rapidly developed in China，however，there is less research on its anti-seismic performance，especially the anti-seismic analysis of multi-tower extradossed cable-stayed bridge.Taking a three-tower extradosed cable-stayed bridge as the example，this article conducted the anti-seismic performance analysis by using the response spec-trum method and time history analysis method，and its calculation results can provide a reference for the design of same type of bridges.

Extradosed cable-stayed bridge；Dynamic characteristics；Anti-seismic；Response spectrum；Time history analysis

U442.5+5

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.05.018

1673-4874(2016)05-0066-05

2016-04-25

覃丹(1983—)，工程師，研究方向：橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究；

梁才(1987—)，工程師，研究方向：橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究；

廖宸鋒(1980—)，高級工程師，研究方向：橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究。