独柱双塔中央双索面半漂浮体系斜拉桥抗震分析

2019-07-02陈榕峰广东省交通运输规划研究中心广东广州500

水利与建筑工程学报 2019年3期

陈榕峰，陈博(.广东省交通运输规划研究中心，广东广州 500;

2.长安大学，陕西西安 710064)

自2008年汶川大地震以来，我国发生地震的频率在逐渐的增加，在社会经济的不断发展下，交通量也在迅速的增加，城市桥梁作为连接两地的交通要道，其抗震性能的研究也成为当下研究的热点问题。目前国内外对普通桥梁结构的抗震分析较多，对大跨度斜拉桥的研究也获得了一些成果[1-15]，但对独柱双塔中央双索面悬吊体系这种结构较为复杂、桥梁有效宽度较大的桥梁研究较少。

独柱双塔中央双索面混凝土箱梁斜拉桥是桥梁双线悬吊体系的典型结构代表，由于其形式非常适合于超宽桥梁设计，逐渐在交通量较大的桥梁中得到应用，在高效满足复杂的社会通行需求的同时，还具有美观效果，更适合作为城市的地标建筑物。但是从结构特性来看，无论是构造本身还是在设计、施工、运营阶段的受力均异常复杂，其抗震性能的研究是在结构安全的前提下发挥其功能与景观特性需要充分考虑的因素之一[16-17]。

从中央双索面斜拉桥的结构形式来看，主梁宽度与其长度相比明显较宽。特别是当采用PC箱梁作为主梁的截面形式时，横向受力特征、顶板的第3体系受力均会对结构设计、施工及运营阶段的力学行为产生较大影响。为增大桥宽，采用中央双索面作为主梁的支撑体系，在地震作用下的受力性能值得深入分析。

1 桥梁背景简介

某大桥采用独柱双塔中央双索面半漂浮体系斜拉桥，跨径布置为75 m+130 m+365 m+130 m+75 m=775 m(见图1)。结构体系采用半漂浮体系，即主梁中部开洞，实现塔墩固接、塔梁分离，并索塔牛腿设主梁竖向支座和纵向阻尼器。半漂浮体系既可释放静力工况温度、混凝土收缩位移约束，又可降低动力工况的地震内力及位移。主梁采用斜腹板单箱五室截面，主梁全宽38.0 m，宽跨比为1/9.61，主梁中心梁高4.0 m，高跨比为1/91.25(见图2)。斜拉索布置为中央双索面，锚固于主梁中隔室。在斜拉索锚固处设置横隔板，间距6 m，横隔板厚0.4 m。主梁采用C55混凝土。斜拉索采用直径7 mm、强度1 670 MPa的平行钢丝束，顺桥向为扇形布置，横桥向为中央双索面。斜拉索梁端索距为6.0 m，塔端索距为2.5 m和2.2 m。全桥共设8×28根斜拉索。

上塔柱为索塔桥面以上部分，总高度为119.788 m，桥面以上高度为93 m，索塔采用独柱形式，八边形截面。索塔自塔顶至主梁底，塔截面顺桥向宽8.0 m，横桥向厚5.4 m；由梁底至塔底，截面顺桥向和横桥向方向均线性增大，塔底截面尺寸为12.0 m×8.5 m(顺桥向×横桥向)。索塔采用C50混凝土。索塔构造图见图3。

图1 桥梁立面图(单位：cm)

图2主梁断面图(单位:cm)

2 数值模型

2.1 模型建立

模型采用通用结构有限元分析软件MIDAS/Civil进行数值模拟。在计算中主梁采用脊梁模式模拟，质量和刚度系统均放在各自的位置上，用一致刚度和一致质量矩阵来描述。拉索以等价桁架单元来模拟，并考虑索力及自重对拉索刚度的影响按Ernst弹性模量法予以折减。考虑P-Δ效应，索塔、辅助墩、过渡墩用空间梁单元模拟。计算时考虑基础刚度的影响，按不考虑基础附近河床冲刷和考虑基础附近河床冲刷两种情况分别建立模型进行计算。桩基采用空间梁单元模拟，在地面线或最大冲刷线3倍桩径下嵌固。全桥有限元空间模型见图4。

图3 索塔构造图(单位:cm)

图4有限元模型

2.2 动力特性分析

根据前述有限元模型，在完成静力分析的基础上，采用MIDAS软件计算该桥的动力特性。桥梁的动力特性(如周期、频率)与结构的刚度和质量密切相关。在下部结构有冲刷和无冲刷情况下，桥梁桩基的自由长度不同，结构刚度不同，将导致结构自振周期和频率不同。桥梁的冲刷包括一般冲刷、局部冲刷和河床演变冲刷等，可通过动床物理模型试验、数模或防洪评价专题等方式获得冲刷结果。限于篇幅原因，本文仅列出考虑冲刷模型和不考虑冲刷模型的前10阶周期、频率和振型特征。

2.2.1 不考虑冲刷模型

不考虑基础附近河床冲刷时，前10阶自振周期及相应振型列于表1。

表1 不考虑冲刷模型自振周期及相应振型

2.2.2 考虑冲刷模型

考虑基础附近河床冲刷情况下，前10阶自振周期及相应振型列于表2。

表2 考虑冲刷模型自振周期及相应振型

3 地震反应计算

3.1 计算方法

该桥为高速公路的特大桥，抗震设防类别为A类，须进行E1地震作用和E2地震作用下的抗震性能评估，其抗震重要性系数分别为1.0和1.7，对应的设计地震重现期大约分别为475年和2 000年。

采用“两水准设防”方法进行大桥的抗震计算及抗震性能评估。第一阶段：E1地震作用下的地震反应分析及抗震性能评估。在E1地震作用下要求结构保持弹性，按规范规定验算构件强度和应力，采用反应谱法计算。第二阶段：E2地震作用下的地震反应分析及抗震性能评估。在E2地震作用下要求主要结构保持弹性，按规范规定验算构件的极限承载能力，采用反应谱法计算。

该桥地表水平向设计地震动加速度反应谱如下：

(1)

其中，2个概率水平(50年超越概率分别为10%和2.5%、地震重现期分别为475年和2 000年)水平设计加速度反应谱最大值Smax、特征周期Tg、参数γ见表3，加速度反应谱曲线见图5。

根据《公路桥梁抗震设计细则》[18](JTG/T B02-01—2008)，本桥地震动竖向/水平向谱比函数R=0.65。