獨(dú)塔斜拉橋抗震分析

王 思 維

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110168)

近年來(lái)我國(guó)橋梁建設(shè)突飛猛進(jìn)，如今工程中越來(lái)越多采用大跨度，新型結(jié)構(gòu)橋梁。橋梁作為一種永久性工程，工程中對(duì)其耐久性，可靠性提出了更高要求。近些年我國(guó)地震頻發(fā)，特別在汶川大地震之后，當(dāng)?shù)氐臉蛄菏艿搅撕艽蟪潭绕茐腫1]，目前我國(guó)在橋梁抗震領(lǐng)域還存在一定空白。橋梁在地震荷載作用下很容易產(chǎn)生損傷，影響其正常使用，帶來(lái)不必要的經(jīng)濟(jì)損失。特別對(duì)于獨(dú)塔斜拉橋結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，地震作用下，成橋階段受力形式多樣。作為工程設(shè)計(jì)人員，要保證規(guī)劃設(shè)計(jì)的橋梁在設(shè)計(jì)年限內(nèi)正常使用，準(zhǔn)確分析橋梁的受力特性，理解其在荷載作用下的受力原理，才能減少地震荷載對(duì)主塔的破壞，才可以保證特殊結(jié)構(gòu)橋梁震后的良好工作性能，為今后類似工程的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，因此對(duì)獨(dú)塔斜拉橋重點(diǎn)工程的深入研究尤為重要[2]。

1 工程概況

文昌西路橋采用獨(dú)塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎，屬于引江濟(jì)淮工程的重點(diǎn)工程，橋位處于安徽省廬江縣廬城鎮(zhèn)，主塔采用H形造型，主塔材料采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主塔凈間距24 m，塔高80 m,主跨拉索間距10.5 m，邊跨拉索間距7 m，共24對(duì)48根，斜拉索采用鍍鋅平行鋼絲成品斜拉索。主塔基礎(chǔ)采用鉆孔樁群樁基礎(chǔ)；根據(jù)GB 18306—2015中國(guó)地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖，安徽省廬江縣廬城鎮(zhèn)Ⅱ類場(chǎng)地條件下，對(duì)應(yīng)地震烈度為7度。

2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性計(jì)算

2.1 計(jì)算模型圖

根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)采用的材料，建立Midas計(jì)算模型。成橋狀態(tài)計(jì)算圖如圖1所示。

2.2 主塔結(jié)構(gòu)動(dòng)力特點(diǎn)

對(duì)于全橋有限元模型振型相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 成橋時(shí)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特點(diǎn)

3 結(jié)構(gòu)抗震分析

3.1 反應(yīng)譜的選取

對(duì)于反應(yīng)譜的選取，首先要根據(jù)規(guī)范要求，其次要考慮工程場(chǎng)地的因素。反應(yīng)譜的選取為：

Sa(T)=Amaxβ(T)。

其中，Amax[3]為設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度;β(T)[4]為設(shè)計(jì)地震動(dòng)加速度放大系數(shù)反應(yīng)譜，按CJJ 166—2011城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，由下式[5]確定：

其中，T為結(jié)構(gòu)自振周期，T取0.1 s;βmax為反應(yīng)譜最大值;Tg為特征周期；γ為反應(yīng)譜下降段的衰減指數(shù)；η1,η2分別為結(jié)構(gòu)阻尼調(diào)整系數(shù)。

在E1地震作用時(shí)，水平向地震動(dòng)峰值加速度50年發(fā)生的超過(guò)概率10%取為0.1g。 在E2地震作用時(shí)，水平向地震動(dòng)峰值加速度50年發(fā)生的超過(guò)概率10%取為0.22g。對(duì)E1，E2地震作用的兩種工況，豎向地震動(dòng)峰值加速度取為水平向地震動(dòng)峰值加速度的2/3，即E1地震作用豎向加速度取0.067g，E2地震作用豎向加速度取0.15g。

3.2 反應(yīng)譜分析

本橋結(jié)構(gòu)主塔在E1和E2地震作用下的反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2～圖7。

由圖2，圖3之間的對(duì)比可知，E2地震作用的最大彎矩明顯大于E1地震作用的彎矩，由兩幅圖之間的峰值比較可知，縱向+豎向反應(yīng)是影響結(jié)構(gòu)主要組合，由圖4，圖5 比較可知，E2地震作用下，縱向+豎向反應(yīng)對(duì)主塔結(jié)構(gòu)的影響較大，設(shè)計(jì)可以作為最不利荷載組合來(lái)考慮，由圖6，圖7可知，E2作用下橫向+豎向組合對(duì)主塔結(jié)構(gòu)軸力影響較大。

對(duì)主塔結(jié)構(gòu)的位移在E2地震作用下進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

表2 E2地震作用下主梁的地震位移響應(yīng)

根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果，橫向+豎向反應(yīng)的塔頂位移大于縱向+豎向反應(yīng)的塔頂位移，計(jì)算位移需將橫向+豎向反應(yīng)作為最不利組合考慮。

3.3 時(shí)程分析參數(shù)

E1，E2水準(zhǔn)下的地震波時(shí)程曲線見(jiàn)圖8，圖9。

4 結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算

根據(jù)CJJ 166—2011城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的抗震驗(yàn)算方法， 3.2節(jié)反應(yīng)譜分析計(jì)算結(jié)果，以及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)截面的配筋，對(duì)主塔的控制截面進(jìn)行抗震性能驗(yàn)算,如圖10所示。

采用纖維單元，對(duì)各控制截面進(jìn)行劃分，計(jì)算了各控制截面的初始屈服彎矩和等效屈服彎矩。

E1地震作用下，主塔材料滿足應(yīng)力—曲線的關(guān)系，鋼筋未達(dá)到屈服狀態(tài)，可以正常發(fā)揮其性能，主塔在地震作用產(chǎn)生的最大彎矩也小于初始屈服彎矩；E2地震作用下，主塔局部會(huì)產(chǎn)生裂縫，不影響其使用，同時(shí)主塔的位移也滿足規(guī)范要求，主塔地震反應(yīng)產(chǎn)生的彎矩小于等效屈服彎矩。

其中，K為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)；Pcr為結(jié)構(gòu)的極限承載力；PT為結(jié)構(gòu)恒載與活載之和。

由表3可以看出，本橋成橋狀態(tài)下的穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)到42.2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的穩(wěn)定安全系數(shù)4，滿足有關(guān)規(guī)范的要求，結(jié)構(gòu)靜力穩(wěn)定性滿足要求。

表3 成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

1)與E2地震作用相比，E1地震作用下，主塔的彎矩、剪力、軸力均較小，因此在工程抗震設(shè)計(jì)中可將E2地震作用作為最不利的影響因素。

2)縱向+豎向地震作用在塔柱行車道位置產(chǎn)生的彎矩出現(xiàn)峰值，在工程設(shè)計(jì)中該位置一定范圍內(nèi)要適當(dāng)加固補(bǔ)強(qiáng)。

3)在地震作用下，塔柱中點(diǎn)位置以下的剪力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于塔柱兩端位置處的剪力，在主塔設(shè)計(jì)時(shí)可采用對(duì)塔柱中下方位置箍筋加密的方法提高塔柱的抗剪性能。

4)在E1，E2地震作用下，軸力沿著主塔分布變化的趨勢(shì)大致相同，出現(xiàn)峰值的位置也基本一致。橫向荷載作用下產(chǎn)生的軸力峰值大于縱向荷載作用產(chǎn)生的峰值，抗震設(shè)計(jì)中，需將橫向+豎向地震作用作為最不利荷載考慮。

5)本橋成橋狀態(tài)下的穩(wěn)定安全系數(shù)均大于4，滿足《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，結(jié)構(gòu)靜力穩(wěn)定性滿足要求。