某三塔矮塔斜拉桥抗震性能分析

覃　丹，梁　才，廖宸锋

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西　南宁　530029)



某三塔矮塔斜拉桥抗震性能分析

覃丹，梁才，廖宸锋

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西南宁530029)

近年来，矮塔斜拉桥在国内得到了快速发展，但对于其抗震性能方面的研究较少，尤其是多塔矮塔斜拉桥的抗震分析更是较少研究。文章以某三塔矮塔斜拉桥为例，采用反应谱法和时程分析法进行抗震性能分析，其计算结果可为同类型桥梁设计提供参考。

矮塔斜拉桥；动力特性；抗震；反应谱；时程分析

0　引言

矮塔斜拉桥在国内发展的历史还不到20年，即已成为应用非常广泛的一种桥型。然而目前对其抗震性能方面的研究较少，尤其是应用更少的多塔矮塔斜拉桥的抗震相关研究就更少，其实际的抗震性能目前也尚未有定论。矮塔斜拉桥的结构构造介于斜拉桥与梁式桥之间，因此其地震反应也较为复杂。本文以某三塔矮塔斜拉桥为例，采用反应谱与时程分析综合对比的有限元动力分析方法，根据《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01-2008)中的抗震设防目标，对该桥的抗震性能进行分析评估，所得结论可供同类型桥梁抗震设计及分析参考。

1　工程概况

某大桥主桥采用(90+165+165+90)m单索面三塔预应力混凝土矮塔斜拉桥，桥宽30.5 m，全桥共3个主塔，塔高22.0 m，与箱梁固结。斜拉索为单索面体系，扇形布置，横桥向布置在中央分隔带上，共布置两排，间距为1.0 m。斜拉索梁上间距4 m，塔上理论索距0.8 m。主墩采用双肢薄壁墩，钻孔灌注基础。主跨结构形式如图1所示，主桥支座布置如图2所示。

图1　主桥桥型布置图(单位：cm)

图2　主桥支座布置示意图

2　空间动力特性分析

在桥梁的抗风、抗震等动力分析中，正确反映结构的刚度、质量分布、支承条件等是分析结果正确与否的必要前提，而该前提就是对结构的动力特性进行分析，以此判断分析模型是否满足作为动力分析基础模型的条件。

2.1主桥有限元模型的建立

根据设计图纸中的施工阶段、结构布置和结构尺寸，采用Midas/Civil 2013软件建立有限元模型对主桥结构进行动力特性分析。引桥部分的影响采用附加荷载并将荷载转换为质量的方式进行考虑。全桥模型划分为1 300个节点、1 288个单元。下部土层对桩基的作用采用“m”法计算并放大2倍的土弹簧刚度进行模拟。有限元计算简图如图3所示。

图3　主桥结构动力特性分析有限元模型图

2.2结构动力特性分析

根据上述建立的有限元动力计算模型，对该桥的动力特性进行分析。运用Ritz向量法求出与三个平动地震动输入直接相关的前90阶振型，X、Y、Z三个方向的平动振型参与质量分别是98.51%，96.81%，99.59%，满足振型参与质量达到总质量90%以上的要求，可作为抗震分析的基础模型。

限于篇幅，本文仅给出前4阶振型图，如图4～7所示。全桥前十阶动力特性分析结果如表1所示。

图4　第1阶振型图(T=1.995 s)

图5　第2阶振型图(T=1.634 s)

图6　第3阶振型图(T=1.237 s)

图7　第4阶振型图(T=1.038 s)

振型阶数频率(Hz)周期(s)振型特征10.5012401.995054桥墩纵弯+主梁波浪形竖弯20.6118711.634331主梁反对称竖弯30.8081571.237383主梁对称竖弯40.9636461.037725中塔墩和主梁横弯51.3005130.768927主梁反对称横弯61.3248330.754812主梁波浪形竖弯71.3843910.72233917#交界墩横弯81.4131090.707659主梁对称竖弯91.5190360.65831213#交界墩横弯101.7138000.583499主梁反对称竖弯

由表1分析可知，一阶振型频率为0.501 240，周期1.995 054 s，较一般的斜拉桥低。桥梁结构体系在一阶振型为纵飘振型，说明其抗水平刚度相对较弱，这也符合双肢薄壁墩结构型式的受力特点。

经过上述分析，说明所建立的动力分析基础模型满足下一阶段抗震分析的要求，并发现本桥结构体系的动力薄弱部分体现在桥墩上，因此抗震分析中需重点关注。

3　地震响应分析

以前述满足要求的动力特性分析模型为基础，输入横桥向、纵桥向、竖向三个方向的地震力，对本桥的抗震性能进行分析。

抗震分析时，在E1线性分析中，支座采用弹性连接模拟，忽略滑动支座摩阻力；在E2非线性时程分析中，支座按滞后系统考虑滑动摩阻力，取滑动摩擦系数0.02，屈服位移0.003 mm。分析的重点对象为前述的桥墩、基础等潜在的塑性铰区域。

3.1反应谱分析

根据本桥场地地震安全性评价报告，采用以下公式拟合场地地表实际计算的加速度反应谱。其表达式为：α(T)=Am×β(T)

(1)

式中：α——场地加速度反应谱；

Am——设计地震动峰值加速度；

β(T)——设计地震动加速度放大系数谱；

T——周期。

地震反应分析时，采用100年超越概率10%和100年超越概率3%(以下简称E1和E2概率水平)，阻尼比为5%的反应谱进行分析。竖向设计加速度反应谱为按水平向设计加速度反应谱乘以系数0.65。

计算时同时考虑顺桥向(X)+横桥向(Y)+竖桥向(Z)的地震作用，其总的作用效应按式(2)求值：

(2)

通过反应谱计算结果，对三个方向地震的结果采用SRSS组合，并和恒载作用下的结果进行组合，分别得出桥墩、索塔、桩基在E1、E2组合作用下的纵桥向与横桥向的弯矩组合。各部位的抗弯能力取最不利轴力对应的首次屈服弯矩。通过对比，各部位的验算结果如表2～4所示(限于篇幅，文中仅给出E2地

震作用的结果)。

表2　E2概率反应谱分析桥墩强度验算表

表3　E2概率反应谱分析索塔强度验算表

表4　E2概率反应谱分析桩基强度验算表

通过计算结果可知，纵向地震作用下，两个边主墩较中主墩受力大；横向地震作用下，边主墩与中主墩分配的力相当；纵向地震作用下，边主塔较中主塔受力大；横向地震作用下，中主塔较边主塔受力大；索塔受力最大区域在塔底；中主墩桩基较边主墩桩基受力大，且桩基控制受力工况为横向地震作用。

3.2时程分析

根据场地地震安全性评价报告中提供的基岩人工合成地震波以及得到的相应工程场地设计地震动加速度时程，取每个概率水平各给出三条设计地震加速度时程，每一组地震时程为横桥向+竖向和顺桥向+竖向分别输入，取各方向的最不利计算结果。本文选取设计加速度时程为三组，最终结果取三组时程波结果的最大值，见表5～7(限于篇幅，文中仅给出E2地震作用的结果)。

通过计算结果可知，在非线性时程地震作用下，桥墩、索塔、桩基等的受力规律与反应谱分析结果基本一致。

3.3反应谱与时程分析结果比较

对比本桥反应谱及时程分析结果可知，在地震作用下，不同构件的控制内力工况也有所不同，如主墩在纵向地震作用下的最不利工况为E2非线性时程分析，而在横向地震作用下的最不利工况为E2反应谱分析，因此设计时应按抗震相关规范要求同时进行反应谱及时程分析，以确保构件设计的安全。

表5　E2概率线性时程分析桥墩强度验算表

表6　E2概率线性时程分析索塔强度验算表

表7　E2概率线性时程分析桩基强度验算表

4　结语

通过以上分析，可得出以下结论：

(1)本桥自振周期比一般的斜拉桥要低。由于采用双肢薄壁墩，在第一阶振型中桥墩就产生了纵弯，因此抗震设计时应重点加强主墩的截面及配筋设计；同以往研究规律类似，高阶振型对本桥结构的影响也较小。

(2)通过反应谱及时程分析的结果可知，对采用双肢薄壁墩的三塔矮塔斜拉桥结构，桥墩是地震作用下受力薄弱的部位，相对而言，地震力对索塔及基础受力并非起控制作用；不同的地震力组合工况下，边主墩及中主墩所承担的地震力有所不同，纵向地震组合时，边主墩为控制受力部位，横向地震组合时，边主墩与中主墩分配的力比例相当。

(3)在抗震设计中，构件的受力并非单纯地由反应谱或时程分析控制，因此应同时进行反应谱及时程分析验算，以便找出构件最不利受力，确保结构设计的安全。

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Analysis on Anti-seismic Performance of A Three-tower Extra-dosed Cable-stayed Bridge

QIN Dan，LIANG Cai，LIAO Chen-feng

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

In recent years，the extradosed cable-stayed bridge has been rapidly developed in China，however，there is less research on its anti-seismic performance，especially the anti-seismic analysis of multi-tower extradossed cable-stayed bridge.Taking a three-tower extradosed cable-stayed bridge as the example，this article conducted the anti-seismic performance analysis by using the response spec-trum method and time history analysis method，and its calculation results can provide a reference for the design of same type of bridges.

Extradosed cable-stayed bridge；Dynamic characteristics；Anti-seismic；Response spectrum；Time history analysis

U442.5+5

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.05.018

1673-4874(2016)05-0066-05

2016-04-25

覃丹(1983—)，工程师，研究方向：桥梁结构设计与研究；

梁才(1987—)，工程师，研究方向：桥梁结构设计与研究；

廖宸锋(1980—)，高级工程师，研究方向：桥梁结构设计与研究。