郑东新区龙湖区北三环跨西运河斜拉桥抗震分析

黄　康

(招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆　400067)

郑东新区龙湖区北三环跨西运河斜拉桥抗震分析

黄康

(招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆400067)

摘要：郑东新区龙湖区北三环跨西运河桥为不对称独塔双索面预应力混凝土双边箱斜拉桥，全长225 m(40 m+109 m+70 m)，采用塔、墩、梁固结体系。采用CSI SAP2000结构分析软件建立三维有限元模型对该桥进行非线性时程分析。分析结果表明：该桥在E1地震下结构安全储备足够，而在E2地震下安全储备小于1.0，通过变更设计对结构的抗震性能进行了改善。

关键词：斜拉桥；抗震分析；结构设计；非线性

近几十年来，高烈度地震在世界范围内频发，地震破坏力给人类带来巨大的人员伤亡和财产损失。中国位于环太平洋和亚欧地震带之间，是全球大陆地区最活跃的地震区之一。 例如，2008年“5·12”汶川大地震造成了巨大的人员伤亡和经济损失。地震不仅对房屋具有破坏性作用，而且还会造成桥梁垮塌，严重影响震后的交通生命线。

李国豪、范立础等[1-2]阐述了桥梁非线性地震反应分析的有关理论，进而提出了适用于特大桥的抗震分析方法。目前，桥梁抗震概念设计主要有减隔震设计和延性设计。我国交通部2008年颁布的JTG/T B02-01—2008《公路桥梁抗震设计细则》[3]主要借鉴了美国的AASHTO、Caltrans SDC等规范并融合了我国桥梁设计规范，对于特殊桥梁，则要求进行专门的抗震分析与设计。本文依据相应的中国规范对郑州市郑东新区龙湖区北三环跨西运河斜拉桥结构进行三维有限元数值模拟，对其进行非线性时程地震反应分析。

1工程概况

郑东新区龙湖区北三环跨西运河斜拉桥位于郑州市北三环快速路东延段，起点桩号K1+907.000，终点桩号为K2+132.000，全长225 m。主桥采用不对称独塔双索面预应力混凝土双边箱斜拉桥，跨径布置为40 m+109 m+70 m。该桥采用塔、墩、梁固结体系，主塔为“玉圭”造型，斜拉索呈扇形平行索面布置。A0桥台、A3桥台和P1辅助墩均采用拉压型HDR高阻尼隔震橡胶支座。桥梁总体布置见图1。

图1　北三环跨西运河桥梁桥型布置

主梁采用分幅设计，由引跨、主跨和边跨3部分组成。主梁斜置，横坡为单向1.5%。主梁全部采用C50混凝土，梁内压重采用30 kN/m3铁砂混凝土。主跨采用分离式双箱断面，左幅、右幅主梁主跨和边跨全宽分别为29.0、26.5 m，梁高均为等高2.5 m，主跨与引跨之间设置5.0 m长宽度过渡段。主梁一般构造见图2。

主塔塔柱采用C50混凝土。主塔塔柱呈曲线形，钢筋混凝土索塔整体为空心结构，索塔总高度为63.486 m，其中桥面以上高度为53.65 m，桥面以下高度为9.836 m。主塔基础采用28根钻孔灌注桩，7排4列矩阵型布置，桩中心间距均为4.5 m。沿桩基承台往下10 m处，圆型桩直径为2 m；10 m以下改为直径1.8 m。桩基总长85 m，均采用C30混凝土。承台为长30.2 m、宽16.7 m、高7 m的阶梯式方形钢筋混凝土结构，台身采用C30混凝土。

图2　北三环跨西运河斜拉桥主梁标准横断面

斜拉索采用平行钢绞线拉索。斜拉索采用高强低松弛镀锌Φ15.2 mm钢绞线，抗拉标准强度fpk=1 860 MPa。斜拉索上端锚固于索塔上塔柱，间距1.6 m；下端锚固于主梁拉索横梁上，间距分7.5、3.75和3.00 m三种，均在梁上张拉。每幅桥每个索面共12对永久性索。

主桥设有辅助墩P1，采用C40型混凝土。P1辅助墩含有3个直径为2 m的圆形桥墩，墩高6.5 m，沿横桥向中心排列，间距8 m。上系梁为高1.6 m、宽2 m、 长14 m矩形截面的钢筋混凝土，下系梁为高2.8 m、宽2 m、长14 m矩形截面的钢筋混凝土，材料均采用C30混凝土。

2地震记录

JTG/T B02-01—2008第5.3.2条规定：为考虑地震动的随机性，设计加速度时程不得少于3组[3]。针对北三环跨西运河大桥工程场地覆土条件，《场地安全评估报告》提供了共6组地震波数据。 该报告分别采用了3条50年超越概率10%的地震动时程作为E1地震波，地震动加速度峰值amax=1.723 m/s2；3条50年超越概率2.5%的地震动时程作为E2地震波，地震动加速度峰值amax=3.305 m/s2。分析时竖向地震波取水平地震波的65%。

3桥梁动力特性分析

邵旭东[4]介绍了主梁模拟可采用单主梁、双主梁或三主梁模式。本文采用CSI SAP2000 v14建立单梁模型并考虑桩土效应[5]及橡胶支座的非线性，斜拉索均用索单元模拟，荷载组合只考虑了1.0恒载+1.0地震组合[6]。北三环跨西运河斜拉桥简化模型见图3。

图3　北三环跨西运河斜拉桥SAP2000单梁模型

由于北三环跨西运河斜拉桥在A0桥台、A3桥台和P1辅助墩沿横桥向各设有3个支座，且采用HDR高阻尼隔震的橡胶支座，抗震分析时采用双折线弹塑性单元。电算时，对其顺桥向和横桥向的剪切刚度定义采用双折线弹塑性单元，见图4。

钢筋混凝土重度采用26.5 kN/m3,斜拉索采用78.5 kN/m3。本文抗震分析时，配筋均采用HRB400型，参数均采用强度标准值[7]，见表1和表2。

图4　橡胶支座剪切刚度定义

所在部位强度等级抗压强度/MPa抗拉强度/MPa弹性模量/MPa主梁,索塔C5032.42.653.45×104桥墩墩柱,桥台盖梁C4026.82.403.25×104桥墩系梁,承台,桩基础C3020.12.013.00×104

表2　钢筋参数

根据前面建立的桥梁动力分析模型，斜拉桥结构的阻尼比一般取0.03。北三环跨西运河斜拉桥在成桥状态下前10阶的自振特性计算结果见表3，前3阶自振振型见图5。

表3　北三环跨西运河斜拉桥自振特性分析

JTG/T B02-01—2008第5.1.1条规定：一般情况下，直线桥可分别考虑顺桥向X和横桥向Y的地震作用；当采用3组时程波计算时，应取3组计算结果的最大值。本文采用Xtract对各验算截面进行M-φ(弯矩-曲率)分析，并根据截面M-φ分析值，按等能量法[8]将所得截面分析结果转换为理想弹塑性M-φ关系，得到截面等效的φy、φu和Mp，见图6。

由于北三环跨西运河斜拉桥跨度较小，故模型未考虑斜拉索的垂度效应。通过对该斜拉桥进行非线性时程分析，得出以下主要结论。

图5　北三环跨西运河斜拉桥前3阶振型

图6　等效M-φ关系

1) 在E1地震顺桥向或横桥向作用下，塔、桥墩及各桩基截面均未超过各自抗弯、抗剪强度值，结构均在弹性范围内，且具有一定的安全值。

2) 在E1地震作用下，支座水平最大位移是9.7 cm，发生在A3桥台处；在E2地震作用下，支座水平最大位移是25.2 cm，发生在A3桥台处。支座位移均在容许范围内。

3) 在E2地震顺桥向作用下，结构承载力要求均能满足。而在E2地震横桥向作用下，结构最不利位置发生在塔与梁交接处，塔最大弯矩为481 800 kN·m(安全储备值为0.7)。

由于E2地震横桥向作用致使在塔梁结合处产生较大弯矩，原设计截面在E2地震作用下会出现承载力不足现象。因此，为了增强该截面的横向抗震性能，进行了变更设计，将截面纵向钢筋率提高至2.384%(变更前为1.723%)，且采用精轧螺纹钢筋替代原有的普通钢筋，精轧螺纹钢参数见表4。

表4　精轧螺纹钢参数

塔与主梁结合处截面横桥向M-φ分析见图7。由图7可以看出，变更后截面横向抗弯承载力明显提高，E2地震横向作用下截面安全系数由变更前的0.7提高到1.4，满足设计要求。

图7　塔与主梁结合处截面横桥向M-φ分析

4结束语

本文对北三环跨西运河斜拉桥进行了抗震分析，分析结果表明，该桥固有周期较短，结构体系较刚，而横桥向主塔振型最先出现，主塔横桥向整体刚度较弱。原设计截面的承载力在E1地震作用下是足够的，但在E2地震作用下塔与主梁结合处截面横桥向的抗弯承载力小于规范要求。变更设计时，提高了纵向含筋率和钢筋等级，增强了该截面的抗弯承载力，使其在E1和E2地震作用下均安全。

对大跨径不对称独塔斜拉桥而言，由于边、主跨跨径不同，边、主跨拉索的水平分力存在差异。北三环跨西运河斜拉桥采用塔墩梁固结体系，可以利用其体量较大的桥塔来平衡拉索水平分力差。由于该桥采用塔墩梁固结体系，其连接处刚度非常大，地震作用下产生的力和弯矩也非常大，所以进行抗震设计时应特别加强此处箍筋及主筋的设置，以满足抗震性能要求。

参 考 文 献

[1]李国豪.桥梁结构稳定与振动(修订版)[M].北京：中国铁道出版社，1996.

[2]范立础，胡世德，叶爱君，等.大跨度桥梁抗震设计[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]重庆交通科研设计院.JTG/T B02-01—2008公路桥梁抗震设计细则[S].北京：人民交通出版社，2008.

[4]邵旭东，程翔云，李立峰，等.桥梁设计与计算(第二版)[M].北京：人民交通出版社，2012.

[5]中交公路规划设计院有限公司.JTG D63—2007公路桥涵地基与基础设计规范[S].北京：人民交通出版社，2007

[6]中交公路规划设计院.JTG D60—2004公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[7]中交公路规划设计院.JTG D62—2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[8]张树仁，黄侨.结构设计原理(第二版)[M].北京：人民交通出版社，2010.

Seismic Analysis of Western Canal Crossing Cable-stayed Bridge on Northern Third Ring Road in Longhu District of Zhengdong New District

HUANG Kang

Abstract:The Western Canal Crossing Bridge on Northern Third Ring road in Longhu District of Zhengdong New District is an asymmetrical single-tower double cable plane prestressed concrete double side box cable-stayed bridge at total length 225m (40m+109m+70m) and adopts tower, pier and beam consolidation system. This paper establishes a 3D finite element model by means of CSI SAP2000 structure analysis software to carry out nonlinear time-procedure analysis for the bridge. The Results of analysis show that safety redundancy of structure of the bridge are enough under E1 earthquake, while are less than 1.0 under E2 earthquake, and the seismic performance of structure is improved through change of structure.

Keywords:cable-stayed bridge; seismic analysis; structural design; nonlinear

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.03.014

收稿日期：2016-01-12

作者简介：黄康(1987-)，男，重庆市人，硕士，助工。

文章编号：1009-6477(2016)03-0058-04中图分类号：U448.27

文献标识码：A