高塔大跨PC斜拉桥抗震性能研究

2022-09-15杨相展

城市道桥与防洪 2022年8期

杨相展

（创辉达设计股份有限公司，湖南长沙 410004）

0 引言

随着高速公路向山区，特别是向西部地区深沟大河这样的自然地形不断发展，横跨其间的桥梁规模也逐渐增大。斜拉桥作为千米级以下最具竞争力的大跨桥梁，在近年得到的应用越来越多，桥梁跨度、高度不断刷新世界纪录[1]。作为重要的生命线工程，对于斜拉桥抗震性能的研究尤为重要。

朱曾辉[2]通过对巴东长江大桥（塔高212 m，双塔双索面PC斜拉桥）有限元模型的分析，发现高塔大跨漂浮体系斜拉桥的第1阶纵飘频率基本上由塔高决定，并基于分析结果，提出对高塔大跨斜拉桥纵向施加约束的建议，以便有效降低塔高对桥梁抗震的不利效应。李成等[3]以润扬大桥北汊斜拉桥（塔高146.88 m，双塔双索面钢箱梁斜拉桥）的实际工程为背景，采用Midas/Civil有限元软件建立三维计算模型，进行动力特性分析，分别采用规范反应谱法和时程分析法对该桥进行地震反应分析，得出了主体结构重要截面在地震作用下的内力和位移。戴小冬等[4]应用SAP2000软件对常德沅江西大桥（塔高110 m，双塔双索面PC斜拉桥）建立有限元模型，采用非线性时程分析方法对该桥进行了研究。

当前国内外学者就斜拉桥抗震性能进行了大量研究，但是对高塔大跨PC斜拉桥抗震研究还较少。本文以前人研究结论为基础，以兰海高速贵遵复线乌江特大桥为例，利用Midas/Civil有限元软件建立三维计算模型，对高塔大跨PC斜拉桥进行抗震性能研究。

1 工程概况

乌江特大桥位于贵州省遵义市播州区尚稽镇县道002楠木渡大桥下游约450 m处，由北向南横跨乌江。乌江特大桥主桥中心桩号为K38+920.00。该桥为双塔双索面PC斜拉桥，跨径布置为（40+110+320+110+40）m，主桥长620 m，塔墩处设支座，纵向按半漂浮体系设计。

乌江特大桥桥型布置图见图1。该桥已于2018年1月正式通车，建成后的实景图见图2。

图1 乌江特大桥桥型布置图（单位：m）

图2 乌江特大桥实景图[5]

乌江特大桥主桥宽度：0.5 m（风嘴）+0.2 m（检修道栏杆）+1.457 m（拉索锚固区）+0.393 m（防撞墙）+15.5 m(行车道)+1.5 m(防撞墙)+15.5 m（行车道）+0.393 m（防撞墙）+1.457 m（拉索锚固区）+0.2 m（检修道栏杆）+0.5 m（风嘴）=37.6 m。

乌江特大桥桥梁横断面图见图3。

图3 乌江特大桥桥梁横断面图（单位：m）

乌江特大桥索塔采用“H”型索塔，由上塔柱、中塔柱、下塔柱、上横梁及下横梁组成。遵义侧承台以上高度为143.1 m，贵阳侧承台以上高度为197.1 m。索塔锚固区采用混凝土齿板锚固形式，塔柱截面中采用环向预应力体系。

2 计算模型

本文利用Midas/Civil有限元软件建立三维计算模型，全桥共分为1 198个节点、974个单元，其中梁单元774个，桁架单元200个。结构有限元模型见图4。

图4 结构有限元模型示意

乌江特大桥主桥支座采用球型钢支座，索塔处采用竖向QZ15000SX双向滑动支座，横桥向采用KFQZ 8000SX双向滑动支座作为侧向限位支座；辅助墩顶设置QZ15000SX双向滑动支座；过渡墩顶设置竖向QZ10000SX双向滑动支座，横桥向采用KFQZ 2000SX双向滑动支座作为侧向限位支座。主梁在不同位置的约束条件（计算模型边界条件）见表1。表中DX、DY、DZ分别表示顺桥向、横桥向和竖向的平动自由度；RX、RY、RZ分别表示绕顺桥向、横桥向和竖向的转动自由度；数字1表示约束，0表示自由。

表1 计算模型边界条件

3 动力特性分析

梁自振特性分析是研究桥梁振动问题的基础，为了计算地震作用下的结构动力响应，必须首先计算桥梁结构的自振特性。根据建立的动力计算模型，进行了结构自振特性分析。

成桥状态结构自振频率及振型见表2。

将表2结果与文献[2～4]中的结果相比，可以发现两者差异不大：对于半漂浮体系斜拉桥，其1阶振型均为纵飘，且均为长周期，本桥周期为9.25 s；同时主梁1阶对称竖弯出现得较早（振型图见图5），而1阶对称横弯出现得较晚，在第16阶（振型图见图6），原因主要是本桥采用了PC箱梁，桥梁横向刚度较大，使得横桥型自振频率较高。

表2 成桥状态结构自振频率及振型

图5 主梁1阶对称竖弯，f=0.393 Hz

图6 主梁1阶对称横弯，f=1.207 Hz

4 地震反应分析

4.1 反应谱参数

根据《兰海高速贵遵复线乌江特大桥工程场地地震安全性评价报告》，E1地震动峰值加速度值为0.053g，E2地震动峰值加速度为0.107g，地震动反应谱特征周期为0.35 s，对应地震基本烈度为Ⅵ度。水平设计加速度反应谱S[6]见图7。

图7 水平设计加速度反应谱

单独考虑顺桥向X或横桥向Y与竖向Z的地震作用，取下述各分量的地震最不利组合作为设计地震作用：顺桥向+0.5竖向（工况一）或横桥向+0.5竖向（工况二）。竖向设计加速度反应谱可以由水平设计加速度反应谱乘以谱比函数0.65确定。地震荷载组合采用SRSS法。

4.2 计算结果

在顺桥向+0.5竖向（工况一）和横桥向+0.5竖向（工况二）地震动组合作用下，反应谱分析的桥塔塔顶最大水平位移、恒载和地震荷载组合下的桥塔塔底弯矩值、恒载和地震荷载组合下的桥塔塔顶和塔底应力值见表3、表4、表5。

表3 桥塔塔顶最大水平位移表单位：cm

表4 恒载和地震荷载组合下桥塔塔底弯矩值单位：kN·m

表5 恒载和地震荷载组合下桥塔塔顶、塔底应力值单位：MP a

由表3可知，在纵横向地震作用下，塔顶位移均较小，满足《公路桥梁抗震设计规范》（JTG/T 2231-01—2020）要求。

由表4可知，由于5号桥墩底部50 m范围内为双肢矩形薄壁结构，刚度较大，在横向地震力的作用下，横梁与塔柱交界处产生了较大的弯矩，从桥塔应力图中也可得到同样的结果。对E2（工况一）作用下的4、5号桥塔底缘进行了强度验算，见表6。由表6可知，E2作用下桥塔承载力储备较大，满足要求。

表6 E2（工况一）作用下塔底强度验算

由表5可知，在恒载和纵向地震组合作用下，桥塔顶缘最小压应力为-1.43 MPa，未出现拉应力；桥塔底缘最大压应力为-12.23 MPa，未出现拉应力，桥塔顶底缘应力均满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362－2018）要求。在恒载和横向地震组合作用下，桥塔顶缘最大压应力为-11.71 MPa，拉应力最大值为1.10 MPa，出现在下横梁与塔柱交界处，此处刚性较大，设计时进行了精心配筋以有效抵抗拉应力；桥塔底缘最大压应力为-11.32 MPa，未出现拉应力，桥塔顶底缘应力均满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362－2018）要求。