獨(dú)塔斜拉橋抗震性能分析

趙 爽

(四川麗攀高速公路有限責(zé)任公司，四川成都 610000)

獨(dú)塔斜拉橋抗震性能分析

趙 爽

(四川麗攀高速公路有限責(zé)任公司，四川成都 610000)

以某采用塔、梁固結(jié)體系的獨(dú)塔斜拉橋?yàn)槔?，采用通用有限元軟件建立空間動力模型研究了該橋的動力特性，并分析了該體系獨(dú)塔斜拉橋在E1和E2兩種概率水平地震作用下分別采用縱向+豎向和橫向+豎向兩種不同地震輸入組合下的主塔結(jié)構(gòu)抗震性能，取得了一些有價(jià)值的結(jié)果，可為獨(dú)塔斜拉橋的抗震設(shè)計(jì)提供參考。

塔、梁固結(jié)體系； 獨(dú)塔斜拉橋； 動力特性； 彎矩-曲率曲線

近年來，國內(nèi)、外發(fā)生了多起強(qiáng)烈地震，造成了大量人員傷亡和道路橋梁等交通設(shè)施的破壞，導(dǎo)致了慘重的社會經(jīng)濟(jì)損失。所以橋梁尤其是關(guān)鍵性橋梁工程抗震性能的研究越來越受到研究人員的關(guān)注和重視。獨(dú)塔斜拉橋由于造型優(yōu)美、布局較易與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)統(tǒng)一，得到人們的認(rèn)可和喜愛，因此在橋梁尤其市政橋梁工程中得到大量的應(yīng)用。獨(dú)塔斜拉橋多采用塔、梁固結(jié)的結(jié)構(gòu)體系，這樣處理可以降低橋梁的施工難度，但是橋塔和主梁固結(jié)區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，導(dǎo)致對其抗震性能較為難以計(jì)算清楚。因此，本文以某采用塔、梁固結(jié)體系的獨(dú)塔斜拉橋工程實(shí)例為背景，對其進(jìn)行抗震能力分析，可以深入認(rèn)識該橋型在地震作用下的響應(yīng)特性和安全性能，為相關(guān)橋梁設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 有限元模型

該橋主跨跨徑為(125.7+125.7)m，采用獨(dú)塔雙索面斜拉橋結(jié)構(gòu)形式，塔、梁固結(jié)。索塔采用拱形門式，索塔自索塔橫梁頂面以上高度為60.47m，自索塔橫梁頂面以下塔高約12.44m。塔身順橋向豎直、橋塔軸線橫橋向采用5次拋物線與圓曲線組合，塔身采用空心斷面，因塔、梁固結(jié)，索塔橫梁頂面以下為實(shí)心段。主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面總寬度36m，橫向車道布置為雙向六車道。該橋按照城市I級主干道設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)行車速度為60km/h。車輛荷載按公路-I級取值，人群荷載取為3.5kN/m2。橋位處地震基本烈度為Ⅵ度(設(shè)計(jì)基本地震加速度0.05 g)，橋梁設(shè)防烈度為Ⅶ度。

采用有限元軟件MIDAS/Civil2010建立該橋的空間有限元模型。主梁和橋塔采用空間梁單元模擬，斜拉索采用空間桿單元模擬，采用彈性模量較大的剛性桿連接斜拉索和主梁。在有限元模型中，采用節(jié)點(diǎn)彈性支撐模擬樁-土效應(yīng)，其中彈性支承剛度根據(jù)規(guī)范計(jì)算得出，并在樁底施加固結(jié)約束。該橋的空間有限元模型如圖1所示。

圖1 獨(dú)塔斜拉橋空間有限元模型

2 自振特性分析

橋梁結(jié)構(gòu)自振特性計(jì)算是橋梁抗震性能分析的基礎(chǔ)，自振特性計(jì)算也可以反映計(jì)算模型的精度，本文采用子空間迭代的方法計(jì)算分析了該橋前100階的自振特性。該橋的前十階自振頻率、周期和振型特征見表1，部分振型示意見圖2所示。

表1 前十階頻率、周期和振型

第一階振型

第二階振型

第四階振型

第六階振型

第八階振型

第九階振型圖2 部分振型示意

計(jì)算結(jié)果表明：該橋的第一階自振周期為1.722s，振型為順橋向反對稱彎曲、主塔縱向漂移，這一振型對主塔的縱橋向地震反應(yīng)具有控制作用。斜拉橋具有柔度大、自振周期長、頻率相差小的特點(diǎn)，模態(tài)分布較一般的橋梁結(jié)構(gòu)密集，采用振型疊加法時(shí)，應(yīng)計(jì)入較多的振型，以減少質(zhì)量缺損所帶來的不利影響。

3 抗震性能驗(yàn)算

由于本文示例橋梁為重要市政交通橋梁，按照A類橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此本文根據(jù)該橋橋址場地地震安全性評價(jià)工作報(bào)告，確定了該橋地震動輸入的E1地震場地水平加速度時(shí)程和E2地震場地水平加速度時(shí)程。文獻(xiàn)[1]規(guī)定：A類橋梁的抗震設(shè)防目標(biāo)是橋梁受E1地震作用(重現(xiàn)期約為475a)下不應(yīng)發(fā)生損傷，橋梁受E2地震作用(重現(xiàn)期約為2 000a)下可產(chǎn)生有限損傷，但地震后應(yīng)能夠立即維持正常交通通行。因此，本文分別采用E1地震加速度時(shí)程和E2地震加速度時(shí)程對該橋進(jìn)行非線性時(shí)程分析，地震的激勵(lì)方向采用縱向+豎向和橫向+豎向兩種方式，其中豎向時(shí)程采用相應(yīng)水平向時(shí)程的0.667倍得到。每種地震水平分布采用3條地震波進(jìn)行時(shí)程分析，分析結(jié)果采用3條時(shí)程波的反應(yīng)最大值。地震波時(shí)程曲線示意如圖3所示。

由于該橋?yàn)樗?、梁固結(jié)結(jié)構(gòu)體系，因此在地震作用下塔梁固結(jié)位置、塔底位置和塔頂位置為最不利截面。本文選取圖4所示的A-A截面～E-E截面進(jìn)行抗震性能驗(yàn)算。

(a)E1地震加速度時(shí)程(樣本一)

(b)E1地震加速度時(shí)程(樣本二)

(c)E1地震加速度時(shí)程(樣本三)

(d)E2地震加速度時(shí)程(樣本一)

(e)E2地震加速度時(shí)程(樣本二)

(f)E2地震加速度時(shí)程(樣本三)圖3 地震波時(shí)程曲線

圖4 橋塔受力控制截面位置

橋梁抗震的目標(biāo)是減輕橋梁工程的地震破壞，保障人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，減少經(jīng)濟(jì)損失。因此，既要使震前用于抗震設(shè)防的經(jīng)濟(jì)投入不超過我國當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)能力，又要使地震中經(jīng)過抗震設(shè)計(jì)的橋梁的破壞程度限制在人們可以承受的范圍內(nèi)。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]規(guī)定可以使用梁或柱結(jié)構(gòu)截面的M-φ曲線(彎矩-曲率曲線)作為評價(jià)截面抗震性能的依據(jù)。本文采用MIDAS/Civil2010軟件中提供的截面彎矩-曲線計(jì)算控件計(jì)算分析橋塔控制截面的初始屈服彎矩，從而進(jìn)行抗震性能驗(yàn)算。由于該橋在縱橫向地震輸入下結(jié)構(gòu)的非線性行為都非常明顯，因此，對該橋各控制截面檢算的輸入采用地震+恒載組合，檢算中根據(jù)在恒載和地震作用下的軸力組合對各控制截面進(jìn)行了最不利軸力(恒載+地震動軸力)作用下的M-φ分析，得出各控制截面的各特征曲率變形與特征彎矩，對該橋進(jìn)行抗震性能驗(yàn)算。為了減小計(jì)算工作量，在計(jì)算構(gòu)件的初始屈服彎矩時(shí)對相同尺寸和相同配筋的截面，取恒載和地震組合軸力的最小值進(jìn)行初始屈服彎矩的計(jì)算。

3.1E1地震作用工況

E1地震作用下，地震輸入方向?yàn)榭v向+豎向組合輸入和橫向+豎向組合輸入。兩種工況下主塔各控制截面抗震性能檢算結(jié)果見表2。

表2 主塔控制截面內(nèi)力

由表2可見，主塔各控制截面在E1地震均滿足抗震安全性規(guī)定，其中主塔橫梁D-D截面的在橫向+豎向地震輸入組合作用下安全儲備最低，安全系數(shù)為1.76。

3.2E2地震作用工況

E2地震作用下，地震輸入方向?yàn)榭v向+豎向組合輸入和橫向+豎向組合輸入。兩種工況下主塔各控制截面抗震性能檢算結(jié)果見表3。

表3 主塔控制截面內(nèi)力

由表3可見，主塔各控制截面在E2地震均滿足抗震安全性規(guī)定，其中主塔橫梁D-D截面的在橫向+豎向地震輸入組合作用下安全儲備最低，安全系數(shù)為1.28。

4 結(jié)論

以某獨(dú)塔斜拉橋?yàn)槔?，建立有限元模型?jì)算分析了采用塔、梁固結(jié)體系的獨(dú)塔斜拉橋的動力特性，并分析了該獨(dú)塔斜拉橋在E1和E2兩種概率水平地震作用下分別采用縱向+豎向和橫向+豎向兩種不同地震輸入組合下的主塔結(jié)構(gòu)抗震性能，可得以下結(jié)論：

(1)采用塔、梁固結(jié)體系的獨(dú)塔斜拉橋整體性好，第一階自振周期為1.722s，振型為縱橋向振動，主塔的縱橋向地震反應(yīng)具有控制作用。

(2)主塔各控制截面在E1和E2兩種概率水平地震作用下分別采用縱向+豎向和橫向+豎向兩種不同地震輸入組合下的主塔結(jié)構(gòu)抗震性能均滿足預(yù)期性能目標(biāo)要求。

(3)主塔在E1和E2兩種概率水平地震作用下，各截面中均為D-D截面的安全儲備最低，并且均為橫向+豎向地震輸入組合作用下，最低安全系數(shù)為1.28。

[1]JTG/TB02-01-2008公路橋梁抗震計(jì)算細(xì)則[S]

[2] 周莉,胡江.天津?qū)幒幽唱?dú)塔斜拉橋抗震分析[J].黑龍江交通科技，2014,(1):118-121

[3] 范立礎(chǔ).橋梁抗震[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1997

[4] 丁志威,武修雄,張峻峰,等.半漂浮體系獨(dú)塔斜拉橋反應(yīng)譜分析[J].中外公路，2013,33(2):160-162

[5] 劉士林,梁智濤,候金龍,等.斜拉橋[M].北京:人民交通出版社,2002

趙爽(1984～)，男，本科，助理工程師，從事施工現(xiàn)場管理工作。

U442.5+5

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[定稿日期]2014-08-22