地震作用下高墩大跨矮塔斜拉桥动力特性分析

王 岩

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

地震在我国频繁发生，破坏性地震对桥梁造成损毁，导致交通运输线路中断，使震后的紧急救援工作困难重重。经济的高速发展离不开便捷的交通，在实现交通现代化的进程中，桥梁工程逐渐向大跨径方向发展。现有针对大跨径桥梁抗震设计规范也只适用于主跨不超过150 m的梁桥及拱桥，超过适用范围的大跨度桥梁的抗震设计则无规范可循。本文通过分析跨径组合相同的连续刚构桥与矮塔斜拉桥的动力分析模型，单从动力分析结果方面比较两者的抗震性能。同时在矮塔斜拉桥模型的基础上，分离出索塔及斜拉索，探索索塔及斜拉索对矮塔斜拉桥在动力分析中对结构内力的影响[1-3]。

1 动力分析模型

1.1 主跨220 m连续刚构桥

应用MIDAS有限元分析软件建立主跨220 m连续刚构桥动力分析模型，跨径组合为（116+4×220+116）m，全桥示意如图1所示。

图1 主跨220 m连续刚构桥全桥示意图（单位：cm）

该桥上部结构采用单箱双室，变高度，变截面的箱梁截面。梁体全长1 112 m，墩顶梁高14 m，跨中及边跨端处梁高4.5 m。梁体等高段为2 m的跨中合拢段和8 m的边跨现浇段，变高段为1.8次抛物线，抛物线方程f(x)=x1.8/1171.605+4.5 m；箱梁顶板宽33.5 m，底边宽度从墩顶的8.9 m渐变至跨中直线段17.3 m；顶板厚度28 cm，底板厚度由墩顶的150 cm渐变至32 cm；腹板厚度从墩顶至跨中由100 cm渐变至60 cm。

该桥下部结构桥墩截面采用单柱空心薄壁截面形式，为提高桥梁的稳定性，在桥墩截面横桥向增加宽度为60 cm，长200 cm的加劲肋；为更好比较抗震动力分析结果，本文桥墩高度都取120 m；桥墩截面宽度从墩顶的15.5 m×7 m渐变至墩底的13 m×10 m，渐变段为桥墩顶部的40 m长，下部采用等截面形式。

1.2 主跨220 m矮塔斜拉桥

主跨220 m矮塔斜拉桥的动力分析模型，跨径组合为（116+4×220+116）m，全桥示意如图2所示。

图2 主跨220 m矮塔斜拉桥全桥示意图（单位：cm）

该桥上部结构采用单箱三室，变高度，变截面的箱梁截面。梁体全长1 112 m，墩顶梁高7.5 m，跨中及边跨端处梁高4 m。梁体等高段为114 m的跨中合拢段和63 m的边跨现浇段，变高段为3次抛物线，抛物线方程f(x)=x3/700.0714+4 m；箱梁顶板宽36 m，底边宽度从墩顶的15.5 m线性渐变至跨中直线段18.83 m；顶板厚度28 cm，底板厚度由墩顶的100 cm渐变至32 cm；腹板厚度从墩顶至跨中由60 cm渐变至50 cm。索塔高31 m，截面形式为矩形，尺寸由塔形的3.5 m×3 m渐变至塔底的5 m×3 m。下部结构形式及截面尺寸与主跨220 m连续刚构桥相同[4-5]。

1.3 主跨220 m矮塔斜拉桥（无索塔）

主跨220 m矮塔斜拉桥（无索塔）的上部及下部结构尺寸与主跨220 m矮塔斜拉桥完全相同。

图3 主跨220 m矮塔斜拉桥（无索塔）全桥示意图（单位：cm）

3个动力分析模型，主梁、桥墩索塔单元均采用空间梁单元，斜拉索单元采用空间桁架单元。主梁及索塔混凝土为C60，桥墩为C40，拉索采用1860钢绞线，重力加速度为9.806 m/s2。边界条件为主墩底部嵌固，采用自由度耦合的方式模拟墩与梁的连接，桥墩与主梁固结处有相同的位移，边墩活动支座处将梁体沿桥横向、竖向的线位移及绕顺桥向扭转角度自由度耦合[6]。

2 模型计算方法

该桥址场地土类型为Ⅲ类场地，设防烈度为7度，地震动峰值加速度大小为0.15g，地震动反应谱特征周期为0.55 s，设计基准期为100年。应用反应谱法进行动力特性分析，假定各支承处的地震动完全相同，不考虑桩基础。

3 模型计算结果

3.1 自振特性分析

结构模态分析是动力分析的基础和关键环节。在上述模型中，采用反应谱法计算成桥状态动力特性，从模型中我们可以看出，3个模型的第一阶振型为全桥横飘，表明高墩大跨横向水平抗推刚度较小。模型的第一模态地震周期见图4。

图4 第一模态地震周期

从图4中可以看出，用反应谱法进行桥梁抗震分析，主跨220 m连续刚构桥模态1的地震周期比220 m矮塔斜拉桥（有索塔）大8.7%；而比较矮塔斜拉桥及矮塔斜拉桥（无索塔）模态1的地震周期，索塔对矮塔斜拉桥的影响较小，较无塔索状态大3.3%，在矮塔斜拉桥动力分析中不作为主要考虑因素。

3.2 E1顺桥向地震动力结果分析

连续结构体系在地震作用下，各主墩墩底的受力是抗震设计的关键控制因素。本文分析了3个模型各个桥墩墩底的受力情况，对比其弯矩大小（如图5所示）。

图5 E1顺桥向墩底弯矩值

从图5中可以看出，用反应谱法进行桥梁抗震分析，在E1顺桥向作用下其对墩底的弯矩影响，220 m连续刚构桥相对220 m的矮塔斜拉桥平均大6.8%左右；而索塔及斜拉索对220 m矮塔斜拉桥贡献约2.6%的弯矩值。

3.3 E1横桥向地震动力分析

对墩底的弯矩大小如图6所示。

从图6中可以看出，用反应谱法进行桥梁抗震分析，在E1横桥向作用下其对墩底的弯矩影响，220 m连续刚构桥相对220 m的矮塔斜拉桥平均大2.7%左右；而索塔及斜拉索对220m矮塔斜拉桥贡献约0.9%的弯矩值。

图6 E1横桥向墩底弯矩值

3.4 E2顺桥向地震动力分析

对墩底的弯矩大小如图7所示。

从图7中可以看出，用反应谱法进行桥梁抗震分析，在E2顺桥向作用下其对墩底的弯矩影响，220 m连续刚构桥相对220 m的矮塔斜拉桥平均大6.8%左右；而索塔及斜拉索对220 m矮塔斜拉桥贡献约2.6%的弯矩值。

图7 E2顺桥向墩底弯矩值

3.5 E2横桥向地震动力分析

对墩底的弯矩大小如图8所示。

从图8我们可以看出，用反应谱法进行桥梁抗震分析，在E2横桥向作用下其对墩底的弯矩影响，220 m连续刚构桥相对220m的矮塔斜拉桥平均大2.7%左右；而索塔及斜拉索对220 m矮塔斜拉桥贡献约0.9%的弯矩值。

图8 E2横桥向墩底弯矩值

4 结论

a）从模型中我们可以看出，3个模型的第一阶振型为全桥横飘，表明高墩大跨横向水平抗推刚度较小。

b）用反应谱法进行桥梁抗震分析，可以看出主跨220 m连续刚构桥模态1的地震周期比220 m矮塔斜拉桥要大8.7%；索塔及拉索对矮塔斜拉桥的影响较小，仅占3.3%，在矮塔斜拉桥动力分析中不作为主要考虑因素。

c）通过分析比较，我们可以看出主跨220 m的连续刚构桥比主跨220 m的矮塔斜拉桥的地震影响要大，反应谱分析内力结果顺桥向大6.8%，横桥向大2.7%；索塔及斜拉索对矮塔斜拉桥的地震影响很小，其在顺桥向贡献2.6%，横桥向贡献0.9%的内力值，在矮塔斜拉桥动力分析中不作为主要考虑因素。