贛江二橋主橋地震反應分析

王 毅

（上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海市 200092）

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟及交通建設的快速發(fā)展，斜拉橋因其造型美觀、造價經(jīng)濟、施工工藝成熟等特點廣泛適用于中等以上跨徑的橋梁。近年來，鋼混組合斜拉橋由于充分利用混凝土及鋼材的受力特性，在橋梁建設中得到日益廣泛的應用。然而，我國現(xiàn)行橋梁抗震設計規(guī)范僅適用于中等跨徑的普通橋梁，沒有適用于斜拉橋及鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁的專用規(guī)范。

本文以贛江二橋主橋為對象，用反應譜法對不同常數(shù)阻尼比下的計算結(jié)果進行比較，并結(jié)合采用Rayleigh阻尼比的時程分析結(jié)果，說明結(jié)構(gòu)阻尼比對結(jié)構(gòu)地震反應的影響程度，提出用應變能比例法計算結(jié)構(gòu)阻尼及用時程分析法校核結(jié)構(gòu)動力分析，為類似的鋼混組合斜拉橋抗震分析提供參考。

1 概述

贛江二橋是吉水縣城跨越贛江的一座特大城市橋梁，全長約1 310 m，分為跨贛江主航道主橋、西引橋和東引橋三部分。主橋為獨塔雙索面預應力混凝土梁斜拉橋，橋跨布置為110 m+110 m，全橋長220 m，標準橋?qū)?6 m，雙向4車道加非機動車道和人行道，設計車速60 km/h。

主橋采用塔梁固結(jié)、邊墩縱向滑動的結(jié)構(gòu)體系，主梁為雙主梁預應力混凝土結(jié)構(gòu)，主塔為鋼混組合結(jié)構(gòu)，塔高90 m，沿塔高分為承臺以上0～39.5 m混凝土塔柱、39.5～44.2 m鋼混結(jié)合段塔柱及44.2～90 m鋼結(jié)構(gòu)塔柱三個區(qū)段。斜拉索采用扇形平行索面布置，主塔兩側(cè)各17對索。主塔承臺為啞鈴型，采用直徑2.5 m的鉆孔灌注樁。主橋立面布置見圖1所示、主塔橫立面及側(cè)力面分別見圖2、圖3所示。

2 抗震設防水準及設防性能目標

現(xiàn)行《城市橋梁抗震設計規(guī)范》（CJJ 166-2011）采用兩水準設防、兩階段設計的抗震設計思想進行橋梁抗震設計。根據(jù)抗震設防分類標準，贛江二橋主橋為甲類橋梁，結(jié)合結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力特點、重要性、震后搶修難易度及震后確保使用功能等原則對不同水準地震作用下各結(jié)構(gòu)部位抗震設防性能目標如表1所列。

3 有限元模型和動力特性分析

3.1 有限元模型

采用通用有限元分析軟件Midas Civil 2010建立主橋的三維有限元模型(見圖4)。主塔、邊墩、樁及承臺均采用空間梁單元模擬，拉索采用桁架單元模擬。為準確模擬主梁的抗扭剛度，橋面系采用空間梁格模擬。邊界連接條件為：塔梁固結(jié)；邊墩與主梁縱向可滑動，橫向主從約束。主塔為高樁承臺基礎，動力分析模型中樁基采用等效嵌固模型模擬樁-土相互作用。

3.2 動力特性分析

分析和把握橋梁的動力特性是進行抗震性能分析的基礎，以全橋的成橋狀態(tài)為初始條件，對計算模型采用子空間迭代法進行橋梁結(jié)構(gòu)動力特性分析，主橋的前10階自振頻率及振型特征如表2所列。

4 主橋抗震性能分析

4.1 抗震概念設計

橋梁的抗震概念設計包括正確的場地選擇、合理的橋型布置、理想的結(jié)構(gòu)體系選擇等。

圖1 主橋立面布置圖（單位：m）

圖2 主塔橫立面（單位：m）

圖3 主塔側(cè)立面（單位：m）

表1 抗震設防性能目標一覽表

圖4 主橋動力分析模型

表2 主橋動力特性一覽表

斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系主要分為縱向全漂浮或半漂浮、塔梁固結(jié)、塔梁縱向彈性約束、縱向阻尼約束體系四類。經(jīng)過對各種結(jié)構(gòu)體系綜合分析比較，結(jié)論為：

（1）塔梁固結(jié)體系水平位移小，有效地改善雙塔柱在靜、動力荷載作用下的協(xié)同性，塔梁結(jié)合部的構(gòu)造簡單，施工階段無需臨時固結(jié)裝置，方便施工。主塔及基礎設計由地震控制。

（2）全漂浮體系結(jié)構(gòu)動力響應小，但水平位移大，且對主梁抗扭不利。

（3）索塔處設豎向支座對結(jié)構(gòu)總體剛度和靜力反應影響不大，僅影響支座處主梁局部受力。

（4）塔梁彈性約束體系能減小結(jié)構(gòu)在靜、動力荷載作用下的水平位移，但在構(gòu)造上存在困難，同時無法改善雙塔柱的協(xié)同工作。

結(jié)合主橋橫斷面布置，全漂浮體系和半漂浮體系均需主梁在塔柱處開孔，構(gòu)造復雜，傳力路徑不直接。

綜合考慮結(jié)構(gòu)在汽車活載、風荷載、溫度作用和地震作用等多種組合工況下的強度、剛度和穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)采用塔梁固結(jié)體系，在邊墩上設置縱向滑動支座。

4.2 地震反應分析

4.2.1 地震輸入

地震輸入取自《吉水贛江二橋工程場地地震安全性評價報告》（以下簡稱《報告》）。《報告》提交橋址場地水平向地表設計峰值加速度為：50 a10%超越概率為0.056 g；50 a2%超越概率為0.118 g。圖5、圖6分別為50 a超越概率2%的水平地震加速度反應譜和水平地震加速度時程(波1)。

圖5 水平地震加速度反應譜（阻尼比5%）曲線圖

4.2.2 地震反應分析

贛江二橋主橋的地震反應分析采用反應譜法和時程分析法2種方法進行，以相互校核。地震輸入方式為：（1）縱向；（2）橫向。反應譜分析取前350階振型，振型組合方式采用CQC法，地震作用效應組合方式采用SRSS法。

圖6 水平地震加速度時程圖示（阻尼比5%）

現(xiàn)行橋梁抗震設計規(guī)范中明確了鋼斜拉橋、混凝土斜拉橋的阻尼比，通常采用常數(shù)阻尼比即所有振型均采用相同的阻尼比進行結(jié)構(gòu)抗震分析。該橋主塔為鋼混組合結(jié)構(gòu)，為比較不同結(jié)構(gòu)阻尼比對地震響應的影響，分別按阻尼比0.03、0.05進行反應譜分析(以下簡稱反應譜1、反應譜2)。

采用線性時程分析方法對主橋進行地震反應分析時，主塔鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比取0.02，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05，斜拉索取0.01，根據(jù)應變能法計算不同材料組成的結(jié)構(gòu)體系的等效振型阻尼比，結(jié)構(gòu)阻尼比根據(jù)參考振型確定瑞利阻尼。時程分析結(jié)果采用3組地震波響應的最大值。

反應譜分析及時程分析的結(jié)果見表3、表4所列。

表3 主橋各控制位置處最大地震位移（50 a2%）一覽表

表4 主塔各控制截面處彎矩 (50a2%)一覽表

從表3、表4可以看出，阻尼比越小地震響應越大。當整體結(jié)構(gòu)阻尼比分別取0.03和0.05時，最大地震位移和主塔控制截面內(nèi)力響應相差8%～18%。

對于主塔在地震作用下尚處于彈性狀態(tài)，反應譜1的計算結(jié)果除塔頂橫向位移與時程分析結(jié)果相差12%以上，其余結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力及變形響應的差值均在5%以內(nèi)，計算精度滿足設計要求。

4.2.3 抗震驗算

限于篇幅，僅列出主塔的抗彎強度驗算結(jié)果。在進行E1地震作用階段抗彎強度驗算時，截面的抗彎強度取截面的初始屈服彎矩，即要求結(jié)構(gòu)在E1地震作用階段處于彈性范圍內(nèi)工作。進行E2地震作用階段抗彎強度驗算時，截面的抗彎強度取截面的等效屈服彎矩，即驗算結(jié)構(gòu)在E2地震作用階段是否進入塑性。

如表5所列，反應譜分析及抗震檢算結(jié)果表明，在E1、E2地震作用下，主塔控制截面尚處于彈性狀態(tài)滿足抗震設防性能目標。

表5 主塔各控制截面處抗彎能力檢算一覽表

5 結(jié)論

（1）阻尼比選取的合適與否對鋼混組合斜拉橋的地震響應產(chǎn)生顯著影響。

（2）鋼混組合斜拉橋需根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)在整體結(jié)構(gòu)中所占比重，合理確定其阻尼比，采用反應譜法和時程分析法進行相互校核。

（3）該橋主塔控制截面在強震后尚處于彈性狀態(tài)，采用較低阻尼比進行反映譜分析的結(jié)果與線性時程分析結(jié)果較為一致。

（4）對于強震后結(jié)構(gòu)進入彈塑性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)阻尼比將顯著增加，對此類橋梁需另作具體研究而定。

[1]CJJ 166-2011，城市橋梁抗震設計規(guī)范[S].

[2]JTG/T B02-01-2008，公路橋梁抗震設計細則[S].

[3]江西省防震減災工程研究所.吉水縣贛江二橋工程場地地震安全性評價報告[R].2012.

[4]范立礎.橋梁抗震[M].上海:同濟大學出版社,1997.

[5]葉愛君,胡世德,范立礎.斜拉橋抗震結(jié)構(gòu)體系研究[J].橋梁建設,2002,(4).

[6]胡聿賢.地震工程學（第二版）[M].北京:地震出版社,2006.