某三塔矮塔斜拉桥抗震性能分析

某三塔矮塔斜拉桥抗震性能分析
覃丹;梁才;廖宸锋
【摘要】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.
【期刊名称】《西部交通科技》
【年(卷),期】2016(000)005
【总页数】5页(P66-70)
【关键词】矮塔斜拉桥;动力特性;抗震;反应谱;时程分析
【作者】覃丹;梁才;廖宸锋
【作者单位】广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院,广西南宁530029;广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院,广西南宁530029;广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院,广西南宁530029
【正文语种】中文
【中图分类】U442.5+5
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。

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。

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。

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。

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。

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)
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：
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)。

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。

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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