軌道交通矮塔斜拉橋抗震性能研究

張 瑩

（中鐵上海設(shè)計院集團有限公司，上海 200070）

1 工程概況

某新建軌道交通工程主橋預應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，孔跨布置為（90+160+90）m，采用塔梁固結(jié)、塔墩分離體系，引橋小里程為五跨連續(xù)剛構(gòu)，大里程為32 m簡支梁。主梁采用單箱雙室直腹板變高度預應(yīng)力混凝土箱梁，頂面寬12.0 m，底面寬8.5 m，跨中合龍段及邊跨現(xiàn)澆段、邊跨合龍段梁高3.6 m，中支點梁高6.4 m，梁底下緣按1.8次拋物線變化。橋面以上橋塔高25.8 m，主塔采用矩形實心截面，四周設(shè)倒角。斜拉索采用扇形布置，索面設(shè)置為單索面（雙排索），布置在橋梁中心線，斜拉橋與水平線的夾角為16.9°～38.7°，橋墩采用獨柱實體墩，基礎(chǔ)均為鉆孔灌注樁。

2 抗震設(shè)防標準

《城市軌道交通橋梁設(shè)計規(guī)范》（GB/T 51234—2017）中規(guī)定，單跨跨度大于或等于150 m的橋梁為A類橋梁，故本橋抗震設(shè)防為A類。

抗震設(shè)防目標：設(shè)計地震下，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)；罕遇地震下，可發(fā)生局部輕微損傷，不需修復或經(jīng)簡單修復可繼續(xù)使用。

3 計算模型和地震動輸入

3.1 有限元模型

計算分析采用MIDAS Civil有限元程序進行結(jié)構(gòu)動力分析。主梁、橋塔和橋墩采用梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬，只考慮初拉力，不考慮斜拉索垂度效應(yīng)引起的彈性模量變化，考慮兩側(cè)結(jié)構(gòu)對主橋地震響應(yīng)的影響。

計算模型如圖1所示。

圖1 全橋動力計算模型

3.2 支座模擬

（1）鋼阻尼抗震支座性能。

本橋采用鋼阻尼抗震支座，正常工作狀態(tài)下，由于支座設(shè)置了剪力銷裝置及有限滑移裝置，實現(xiàn)了水平力的傳遞與活動支座因制動力、溫度及收縮徐變等載荷作用的常規(guī)活動位移，支座本體處于較低的彈性工作狀態(tài)，阻尼耗能裝置不工作。設(shè)計地震作用下，支座本體處于彈性工作狀態(tài)，活動墩參與分擔水平載荷，活動型支座鋼阻尼器開始工作并處于彈性變形階段，起到隔震作用。罕遇地震作用下，支座本體處于彈性工作狀態(tài)，剪力銷被剪斷，消耗部分能量，同時鋼阻尼器開始工作并處于彈塑性變形階段。通過塑性滯回變形耗散地震能量，活動墩和其他墩及支座共同起到減震作用，實現(xiàn)全橋協(xié)同抗震。

出于安全保守設(shè)計，在設(shè)計地震作用時，不考慮支座阻尼器的作用，抗震支座等同于常規(guī)支座受力。罕遇地震作用下，阻尼器工作，支座起到抗震作用。

（2）抗震支座模擬。

①設(shè)計地震。

進行非線性時程分析的過程中，在線形模型的基礎(chǔ)上，考慮活動支座與梁底的摩擦作用效應(yīng)，活動支座采用雙線性單元模擬。

活動支座的恢復力模型如圖2所示。

圖2 活動支座恢復力模型

活動支座臨界滑動摩擦力Fmax=μd，即滑動摩擦系數(shù)，一般取0.02。初始剛度k：

式中：xy——活動支座屈服位移，一般取0.003 m。

②罕遇地震。

罕遇地震時，除考慮活動支座滑動摩擦效應(yīng)外，還需考慮抗震支座鋼阻尼器的耗能效應(yīng)。

鋼阻尼器非線性特性即水平向非線性特征如表1所示。

表1 鋼阻尼抗震支座阻尼器剛度參數(shù)

3.3 樁基礎(chǔ)模擬及地震動輸入

樁基礎(chǔ)剛度模擬采用承臺底加6個方向的彈簧表示。

本橋位于7度區(qū)，Ⅱ類場地。根據(jù)地震安全性評價報告所提供的100年超越概率為63%（重現(xiàn)期100年）、50年超越概率為10%（重現(xiàn)期475年）和2%（重現(xiàn)期2 475年），分別對應(yīng)多遇、設(shè)計和罕遇三級地震作用。針對本橋，對應(yīng)設(shè)計地震和罕遇地震兩種工況進行非線性時程分析，取最大值進行抗震驗算。設(shè)計地震、罕遇地震程波如圖3、圖4所示。

圖3 設(shè)計地震時程波

圖4 罕遇地震時程波

4 設(shè)計地震響應(yīng)分析

經(jīng)計算，橋墩在設(shè)計地震作用下均處于彈性工作狀態(tài)。

底截面混凝土最大應(yīng)力：21.68 MPa；

鋼筋最大拉應(yīng)力：221.05 MPa；

鋼筋最大壓應(yīng)力；164.63 MPa。

抗彎承載力滿足要求。

5 罕遇地震響應(yīng)分析

5.1 采用普通支座時罕遇地震分析

僅采用普通支座時，橋墩墩底截面在罕遇地震組合作用下的產(chǎn)生最大內(nèi)力。在罕遇地震組合作用下，7#固定中墩墩底順橋向彎矩大于等效屈服彎矩，說明截面進入屈服，不滿足A類橋梁在罕遇地震下的設(shè)防目標，故應(yīng)設(shè)抗震支座。

采用普通支座時墩底截面的內(nèi)力如表2所示。

表2 采用普通支座時墩底截面在罕遇地震作用下的內(nèi)力

由表2可知，在罕遇地震組合作用下，7#固定中墩墩底順橋向彎矩＞等效屈服彎矩，說明截面進入屈服，不滿足A類橋梁在罕遇地震下的設(shè)防目標，故應(yīng)設(shè)抗震支座。

5.2 采用抗震支座時罕遇地震分析

采用抗震支座時，橋墩墩底截面在罕遇地震組合作用下的最大內(nèi)力如表3所示。

表3 采用抗震支座時墩底截面在罕遇地震作用下的內(nèi)力

由表3可知，在罕遇地震組合作用下，由于抗震支座發(fā)揮作用，使得矮塔斜拉橋的各橋墩彎矩均小于等效屈服彎矩，滿足抗震目標要求。

5.3 有無抗震支座的對比分析

通過表2和表3對比可知，罕遇縱向組合作用下，6#活動墩使用抗震支座比使用普通支座彎矩下降了10%，7#固定彎矩下降了82%，減震效果明顯。8#、9#活動墩使用抗震支座后，彎矩比只使用普通支座時各增長了38.9%、22.6%。

在罕遇地震作用下，抗震支座的剪力銷剪斷，活動墩和固定墩協(xié)同抗震，僅使用普通支座時，活動墩不起抗震效果，所受彎矩增大。在罕遇橫向地震組合作用下，抗震支座對比普通支座，墩彎矩下降53.6%～60.4%，說明抗震效果顯著。

6 結(jié)語

針對某軌道交通（90+160+90）m矮塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合抗震支座，應(yīng)用非線性時程分析方法進行了設(shè)計地震和罕遇地震情況下的地震反應(yīng)響應(yīng)分析。在設(shè)計地震作用下，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)；在罕遇地震作用下，采用普通支座時，固定中墩墩底截面進入屈服；采用抗震支座時，各橋墩墩底彎矩小于等效屈服彎矩，滿足抗震性能目標要求；采用抗震支座與普通支座相比，固定中墩截面縱橋向內(nèi)力下降82%，活動墩參與協(xié)同受力，內(nèi)力有所增加，各墩橫橋向內(nèi)力下降明顯，說明抗震支座起到了良好的效果。