山区超高墩叠合梁斜拉桥抗震性能研究

蓝先林，张剑锋

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550081)

1 工程背景

本文以贵州省境内叠合梁斜拉桥为研究背景，主桥孔跨布置采用(215+480+215)m，边中跨比例为215/480=0.448，为双塔双索面叠合梁斜拉桥。斜拉桥采用半漂浮体系，在主塔处设纵向阻尼器。叠合梁采用双边主梁(焊接工字梁)断面，由工字型钢纵梁、横梁、小纵梁组成平面梁格，并在其上叠合梁混凝土桥面板构成。

两岸索塔采用折H型桥塔，群桩基础。主塔高度分别为273 m和300 m。300 m主塔为世界第一高折H型桥塔，在地震作用下会产生较大的墩底弯矩和塔顶位移，因此有必要进行地震响应分析。

叠合梁桥面板混凝土采用C55，主塔、过渡墩和辅助墩均采用有C50混凝土。桥面板刚主梁及钢锚梁材料Q370qD，斜拉索采用φ15.2环氧涂层预应力钢绞线，标准强度为1 860 MPa。斜拉索采用阻尼器和气动措施并用的综合减震方案。

2 有限元模型

为研究该超高塔斜拉桥地震响应，基于ANSYS建立其三维空间有限元模型。用铁木辛柯梁单元BEAM188模拟主梁钢纵梁、主梁横梁、小纵梁、桥塔墩柱及墩柱，桥面铺装的重量通过增大混凝土桥面板的等效密度方式实现，两侧人行道以及车行道护栏等通过MASS21单元来实现质量/质量矩的模拟，采用空间杆单元LINK10模拟斜拉索，并用Ernst公式考虑拉索的垂度效应。采用4节点弹性壳单元SHELL63模拟桥面板，成桥状态有限元模型边界约束条件如表1所示。

表1 成桥状态有限元模型边界条件

3 动力特性分析

表2列出该超高塔斜拉桥前10阶频率与振型描述。

表2 前10阶模态频率与振型

据表2分析可知，该桥基频为0.083 Hz，一阶振型为主梁纵漂，说明该斜拉桥体系较柔，在地震作用下容易产生较大的纵向位移，为防止主梁碰撞，可在塔梁连接处设置纵向阻尼器，减小主梁纵向位移。

4 反应谱分析

4.1 反应谱的确定

给定地面运动的加速度时程和结构体系的阻尼比，改变结构体系的自振周期T，可以计算出质点的最大加速度反应与体系自振周期T的关系曲线，称为地震反应谱。但是由于地震反应谱的影响因素较多，且在进行结构抗震设计时无法确知今后发生地震的地震动时程，故无法确定相应的地震反应谱。因此还应研究可用于结构抗震设计的反应谱，称为设计加速度反应谱。

设计加速度反应谱包括水平设计加速度反应谱和竖向设计加速度反应谱。

《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01-2008)中给出了水平设计加速度反应谱S可如下确定。

(1)

式中:T为周期，s；T0为反应谱直线上升段最大周期，取值为0.1 s，Tg为特征周期，s；Smax为设计加速度反应谱最大值，g。

4.2 反应谱计算结果

此处采用进行反应谱分析时采用平方和开平方的方法(SRSS法)，进行E1(50年10%概率)和E2(50年2%概率)两种地震水平进行关键位置和截面的内力与位移分析。按两种方式加载：横桥向加载(Y+Z)和顺桥下加载(X+Z)。其计算结果如表3～表6所示，其中UX、UY和UZ分别代表纵向、横向和竖向位移，下同。

表3 50年10%概率反应谱分析地震响应内力结果

表4 50年10%概率地震反应谱分析关键位置位移响应结果

表5 50年2%概率反应谱分析地震响应内力结果

表6 50年2%概率地震反应谱分析关键位置位移响应结果

据表3～表6分析可得出以下结论。

(1)顺桥向+竖向和横桥向+竖向地震作用下，剪力呈现出相同的规律，但横桥向+竖向地震作用下的剪力明显大于横向+竖向地震。顺桥向+竖向和横桥向+竖向地震作用下，弯矩呈现出明显的不同。在塔底处，顺桥向+竖向地震作用下的弯矩要远大于横桥向+竖向地震作用；而在墩底处，顺桥向+竖向地震作用下的弯矩要小于横桥向+竖向地震作用。

(2)在顺桥向+竖向地震作用下，塔顶和跨中主要呈现出纵向位移，横向位移几乎为 0；在横桥向+竖向地震作用下，塔顶和跨中主要呈现出横向位移，纵向位移显著小于横向位移。说明纵向振动和横向振动耦合现象不显著。

5 非线性时程分析

5.1 地震动确定

根据大桥工程场地地震安全性评估报告提供的场地地震反应谱及地震加速度时程，结合我国《公路桥梁抗震设计细则》(JTGT 2231-01-2020)，在云雾特大桥抗震性能计算中采用两水准的设计方法。两水准分别采用50年10%超越概率(E1)与50年2%超越概率(E2)。

图1 E1水准下地震动时程

图2 E2水准下地震动时程

在地震时程响应分析中，充分考虑结构几何非线性的影响，地震输入采用人工模拟地震波。限于篇幅，图1和图2仅给出E1和E2水准下水平向地震动时程，竖向地震动时程取水平地震动时程的0.65倍。

5.2 工况设置

(1)E1地震组合方式：顺桥向水平地震荷载+竖向地震荷载。(2)E1地震组合方式：横桥向水平地震荷载+竖向地震荷载。(3)E2地震组合方式：顺桥向水平地震荷载+竖向地震荷载。(4)E2地震组合方式：横桥向水平地震荷载+竖向地震荷载。

5.3 计算结果

四种计算工况下关键截面内力和关键点位移如表7～表10所示。

限于篇幅，此处仅给出3#墩底内力、3#和4#塔顶位移、跨中位移时程曲线，分别如图3～图6所示。

分析表5～表8和图3～图6可知。

表7 50年10%概率时程分析地震响应内力结果

表8 50年10%概率地震时程分析关键位置位移响应结果

表9 50年2%概率时程分析地震响应内力结果

表10 50年2%概率地震时程分析关键位置位移响应结果

图3 3#墩底内力时程曲线

图4 3#塔顶位移时程曲线

图6 跨中位移时程曲线

(1)非线性时程计算分析所得的地震响应与反应谱得到的地震响应基本规律一致，地震非线性时程分析结果与反应谱计算结果互相验证了其数据的可靠性。

(2)相比于反应谱分析得到的响应大小，非线性时程计算结果中各截面的内力几乎都大于反应谱计算结果，这与非线性时程分析时考虑几何非线性的影响，结果合理。

6 结 论

(1)顺桥向+竖向和横桥向+竖向地震作用下，剪力呈现出相同的规律，但横桥向+竖向地震作用下的剪力明显大于横向+竖向地震。顺桥向+竖向和横桥向+竖向地震作用下， 弯矩呈现出明显的不同。在塔底处，顺桥向+竖向地震作用下的弯矩要远大于横桥向+竖向地震作用；而在墩底处，顺桥向+竖向地震作用下的弯矩要小于横桥向+竖向地震作用。

(2)在顺桥向+竖向地震作用下，塔顶和跨中主要呈现出纵向位移，横向位移几乎为0；在横桥向+竖向地震作用下，塔顶和跨中主要呈现出横向位移，纵向位移显著小于横向位移。说明纵向振动和横向振动耦合现象不显著。

(3)非线性时程计算分析所得的地震响应与反应谱得到的地震响应基本规律一致，地震非线性时程分析结果与反应谱计算结果互相验证了其数据的可靠性。

(4)相比于反应谱分析得到的响应大小，非线性时程计算结果中各截面的内力几乎都大于反应谱计算结果，这与非线性时程分析时考虑几何非线性的影响，结果合理。