支座剪斷對(duì)獨(dú)塔斜拉橋抗震性能影響的研究

王龍

（石柱土家族自治縣交通局 農(nóng)村公路管理站，重慶409100）

獨(dú)塔斜拉橋的索塔往往具有足夠的抗震性能，一般情況下不宜發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷或破壞，邊墩和過(guò)渡墩在順橋向采用滑動(dòng)體系，可以有效的降低地震響應(yīng)，但在橫橋向采用固結(jié)體系，則會(huì)急劇放大其地震響應(yīng)。支座作為獨(dú)塔斜拉橋的重要約束體系，同時(shí)也是上部結(jié)構(gòu)地震力傳遞的關(guān)鍵構(gòu)件，其性能完好程度對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響值得進(jìn)一步研究[8]。

本文主要針對(duì)某新建獨(dú)塔斜拉橋的抗震問(wèn)題展開(kāi)研究。由于采用塔梁固結(jié)體系，橋塔兩側(cè)邊墩在橫橋向往往采用固結(jié)體系，在橫向地震作用下上部結(jié)構(gòu)地震力通過(guò)支座傳遞到下部橋墩，因此，支座在地震作用下工作性能完好程度直接決定上部結(jié)構(gòu)地震力的傳遞。有鑒于此，本文結(jié)合橋梁特點(diǎn)，對(duì)考慮支座橫向剪斷和不考慮支座橫向剪斷兩種情況下結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行對(duì)比研究，以期揭示支座性能對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能影響規(guī)律，為工程抗震設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考[3]。

1 工程概況

某市新建獨(dú)塔斜拉橋全長(zhǎng)396m，主橋采用145m+75m 獨(dú)塔斜拉橋，主橋?qū)挾葹?3.6m；引橋采用22m 裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土剛接空心板梁，引橋長(zhǎng)度為176m，寬度為22m。全橋跨徑組合為：3×22（引橋）+145m（主跨）+75m（邊跨）+5×22（引橋）=396m。主塔及橋墩樁基采用φ150cm 鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，按摩擦樁設(shè)計(jì)，持力層為粉砂層，樁端采用后注漿工藝。橋跨布置及整體斷面布置見(jiàn)圖1。

圖1 橋梁總體布置圖

2 分析基礎(chǔ)

2.1 有限元模型

采用SAP2000 建立全橋有限元模型，如圖3 所示。主梁、索塔、過(guò)渡墩都用空間梁?jiǎn)卧M。斜拉索采用只受拉空間桁架單元模擬，按Ernst 公式修正垂度效應(yīng)[3]，并考慮恒載初始內(nèi)力所引起的幾何剛度變化。支座采用彈簧單元模擬，其中活動(dòng)方向按雙線性滯回模式考慮滑移摩擦效應(yīng)，摩擦系數(shù)取5%。樁-土共同作用采用6×6 集中土彈簧模擬，彈簧剛度系數(shù)根據(jù)m法計(jì)算得到。體系阻尼采用Rayleigh 模型，阻尼系數(shù)取3%[3]。

圖2 全橋有限元分析模型

2.2 分析工況

本文在獨(dú)塔斜拉橋考慮支座剪斷和支座完好兩種情況下，對(duì)結(jié)構(gòu)E1/ E2 兩水準(zhǔn)抗震性能進(jìn)行對(duì)比研究，共計(jì)分析兩個(gè)工況，各分析工況支座設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 分析工況支座設(shè)置

2.3 地震動(dòng)輸入

場(chǎng)地安評(píng)報(bào)告提供了E1/ E2 地震下的設(shè)計(jì)反映譜和各7條地震波時(shí)程曲線。圖3 為典型加速度時(shí)程曲線和設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，由圖可知，匹配情況良好。采用非線性時(shí)程分析研究表1 中的各分析工況，鑒于本文研究變量為支座橫向剪斷，故僅對(duì)橫向地震作用進(jìn)行分析，地震動(dòng)輸入采用橫向+豎向方式。

圖3 地震動(dòng)輸入

3 分析結(jié)果與討論

3.1 地震響應(yīng)分析

采用非線性時(shí)程分析法對(duì)獨(dú)塔斜拉橋在考慮支座剪斷和支座完好兩種情況下的地震響應(yīng)進(jìn)行分析。為減小地震動(dòng)頻域差異對(duì)分析結(jié)果的影響，本文E1/E2 地震分析結(jié)果取七條實(shí)際波的平均值，結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件地震響應(yīng)如下。

表2 結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件E1 地震響應(yīng)值

表3 結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件E2 地震響應(yīng)值

表4 結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面E1 地震抗震性能分析

表5 結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面E2 地震抗震性能分析

由表2、表3 地震響應(yīng)分析結(jié)果可得：在獨(dú)塔斜拉橋過(guò)渡墩固定支座橫向剪斷后，主梁等上部結(jié)構(gòu)地震力無(wú)法有效傳遞至下部橋墩，從而導(dǎo)致兩側(cè)過(guò)渡墩關(guān)鍵截面地震響應(yīng)呈減小趨勢(shì)，相比支座性能完好，支座剪斷后過(guò)渡墩內(nèi)力減小最多可達(dá)20%；同理，由于支座剪斷后兩側(cè)過(guò)渡墩為主塔分擔(dān)的橫向地震力減小，從而導(dǎo)致主塔地震響應(yīng)增大，具體表現(xiàn)為塔底截面內(nèi)力增大20%，塔頂位移增大8%左右；主梁兩端由于缺乏支座橫向約束，橫向位移急劇增大，具體表現(xiàn)為，在E1 地震下增加1.7倍，在E2 地震下增加70%倍。

3.2 抗震性能分析

為研究支座剪斷對(duì)獨(dú)塔斜拉橋橫向抗震性能的影響，結(jié)合前面小節(jié)對(duì)地震響應(yīng)分析結(jié)果，采用能力需求比法，對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面E1/E2 兩水準(zhǔn)抗震性能做出分析，分析結(jié)果如下：

由表4、表5 分析結(jié)果可得：獨(dú)塔斜拉橋在考慮支座剪斷和支座完好兩種情況下，各關(guān)鍵截面均能抗震性能要求；對(duì)比各關(guān)鍵截面能力需求比值可得，支座剪斷后兩側(cè)過(guò)渡墩能力需求比值略大于支座完好能力需求比值，安全儲(chǔ)備更高；反之，橋塔關(guān)鍵截面在支座剪斷后的能力需求比支座完好時(shí)略小，安全儲(chǔ)備稍低。

4 結(jié)論

本文主要結(jié)論如下：

4.1 對(duì)于本文的獨(dú)塔斜拉橋而言，考慮支座剪斷后，由于主梁在兩側(cè)過(guò)渡墩處沒(méi)有了橫向約束，主梁等上部結(jié)構(gòu)的橫向地震力不能有效傳遞至兩側(cè)過(guò)渡橋墩，過(guò)渡橋墩橫向地震響應(yīng)有減小趨勢(shì)，對(duì)于過(guò)渡墩而言是有利于抗震的；同理，由于兩側(cè)過(guò)渡對(duì)主塔地震力分擔(dān)作用減小，主塔橫向地震響應(yīng)呈增大趨勢(shì)，此時(shí)對(duì)主塔抗震是不利的。

4.2 由于支座發(fā)生剪斷破壞，因此主梁在兩側(cè)過(guò)渡墩處喪失了橫向約束，導(dǎo)致主梁在兩側(cè)梁端的橫向地震位移響應(yīng)大幅增加，在E2 地震作用下，梁端的最大位移達(dá)189.2mm。

4.3 由于支座發(fā)生剪斷破壞，盡管主梁梁端的橫向位移響應(yīng)大幅增大，但抗震驗(yàn)算表明，主橋結(jié)構(gòu)的索塔、主墩關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能均滿足預(yù)期的性能目標(biāo)。從這個(gè)角度來(lái)看，允許支座在地震作用下發(fā)生剪斷破壞并不會(huì)引起主橋結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的抗震安全。

注釋

①SX 表示雙向支座、DX 表示橫向固定支座.

②地震響應(yīng)比表示結(jié)構(gòu)考慮支座剪斷地震響應(yīng)值與支座完好地震響應(yīng)值的比值.