拱形獨塔斜拉橋地震響應特征分析

□文/張 昊 謝 斌 張一卓

斜拉橋因其跨越能力強，在大型河道及重要節(jié)點橋梁設計中應用較多。隨著跨度的增大，結(jié)構(gòu)剛度越來越柔，其在動力荷載作用下的動力特性和結(jié)構(gòu)性能倍受工程界關注。我國是地震高發(fā)國家，部分地區(qū)地震烈度較高，地震災害造成非常嚴重的損失。本文以天津河北大街工程作為研究對象，對拱形獨塔斜拉橋進行動力特性分析和地震響應分析，以期對該橋型動力特性有更深入的認識并得出該橋型的地震相應特點和地震作用下內(nèi)力控制點，為以后類似橋梁的抗震設計提供借鑒，幫助工程設計人員提高對該橋型抗震能力的認識，在以后的工程設計中可基于其特點進行優(yōu)化，減小地震災害帶來的損失。

結(jié)合有限元相關理論，首先對結(jié)構(gòu)進行適當簡化，利用midasCivil有限元軟件,考慮樁-土-結(jié)構(gòu)的互相作用，建立全橋有限元模型。在相應的邊界條件及反應譜地震工況下，分析其動力特性及地震內(nèi)力響應并對研究過程進行總結(jié)。

1 工程概況

河北大街立交為快速路北橫快速通道與西縱快速通道相交的大型互通立交，跨越子牙河處設計拱形獨塔斜拉橋一座，跨徑145m+48m+42m，采用塔梁固結(jié)形式。48m+42m為邊跨范圍，145m為主跨范圍。

主塔在主梁結(jié)構(gòu)以上部分高78m，傾角75°，為拱形塔；主梁從塔中穿過，主塔處主梁與主塔下塔柱固結(jié)。拉索為多股平行鋼絲成品索，扇形索形式布置，主塔上間距自上而下由2.5m漸變到3.8m，在主跨水平間距6.0m，邊跨水平間距3.8m，見圖1和圖2。

主梁采用鋼主梁與預應力混凝土梁混合形式。斷面形式根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力性能、車輛的通行條件、主梁與塔的連接構(gòu)造、斜拉索的錨固要求及結(jié)構(gòu)的抗風穩(wěn)定性綜合考慮，確定為雙箱雙室薄壁型斷面并設有風嘴。主跨采用鋼主梁，邊跨采用預應力混凝土主梁，結(jié)合位置位于主跨側(cè)距主墩12.5m處。

圖1 主橋結(jié)構(gòu)

圖2 主橋斷面

2 結(jié)構(gòu)動力特性

結(jié)構(gòu)地震響應與其動力特性關系密切，分析和認識橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性是進行橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能分析的基礎和重要環(huán)節(jié)，因此，在研究結(jié)構(gòu)地震響應前，首先對拱形獨塔斜拉橋的動力特性進行分析。

分析采用MidasCivil建立結(jié)構(gòu)模型:為準確反應相鄰引橋?qū)χ鳂虻挠绊懀７秶鳂蚣皟蓚?cè)各一聯(lián)引橋；主塔、主梁及墩柱均采用梁單元模擬，拉索采用受拉桁架單元模擬，支座采用線彈性連接模擬；基礎采用m法計算的等代六向土彈簧模擬。見圖3。

圖3 全橋結(jié)構(gòu)模型

本文研究對象為拱形獨塔斜拉橋的地震響應特點，相應地重點研究主橋的典型振型，根據(jù)上述模型分析結(jié)果，選取結(jié)構(gòu)主要振動模態(tài)，見表1和圖4。

表1 典型自振特性 s

圖4 結(jié)構(gòu)典型自振模態(tài)

在如上約束條件下，主橋最易發(fā)生的振動是主梁豎向振動，周期1.25s；其次是主塔橫向振動，周期是0.97s。根據(jù)振動分析可知，主梁相對主塔更容易發(fā)生振動；主塔自身橫向比縱向振動更容易發(fā)生。

3 拱形獨塔斜拉橋地震響應分析

為研究拱形獨塔斜拉橋地震響應特點，在簡化結(jié)構(gòu)模型的基礎上采用反應譜分析方法，研究拱形獨塔斜拉橋在E1水平縱、橫向地震作用下的內(nèi)力響應，研究其響應特點。為單獨分析結(jié)構(gòu)地震響應特點，計算時暫不考慮斜拉索初拉力作用。

3.1 拱形獨塔斜拉橋縱向地震響應

經(jīng)過分析，摘取主塔縱向地震響應，見圖5。

圖5 主塔縱向地震響應

分析計算結(jié)果可知，主塔在縱向地震作用下，彎矩及剪力響應分別具有以下特點：

1）彎矩響應中塔段大，兩端小，彎矩圖成紡錘形且塔頂最小，中塔段布索區(qū)彎矩較大且分布比較均勻，下塔段彎矩略小且逐漸增大；最大彎矩響應發(fā)生在索區(qū)中間位置，最大彎矩為10288kN·m；

2）剪力響應中塔段小，兩端大彎矩圖成啞鈴型且塔中段較小，分布比較均勻，下塔段剪力較大且向下逐漸增大，至塔根位置剪力均勻；最小剪力響應發(fā)生在索區(qū)中間位置，為93kN，最大剪力發(fā)生在塔根位置，為701kN。

3.2 拱形獨塔斜拉橋橫向地震響應

經(jīng)過分析，摘取主塔橫向地震響應見圖6。

圖6 主塔橫向地震響應

分析計算結(jié)果可知，主塔在橫向地震作用下，彎矩及剪力響應分別具有以下特點：

1）彎矩響應塔頂最小，幾乎為0，中塔段分布比較均勻，下塔段至塔根處逐漸增大；最大彎矩響應發(fā)生在塔根位置，最大彎矩為10529kN·m；

2）剪力響應塔頂最大，中塔段分布比較均勻，下塔段至塔根處逐漸增大；最大剪力響應發(fā)生在塔頂位置，最大剪力為580kN。

4 研究結(jié)論與不足

本文通過對拱形獨塔斜拉橋的自振特性及E1反應譜分析，研究了此橋型的動力特性以及該橋型在縱、橫向水平地震作用下拱形主塔的內(nèi)力響應特點，從分析結(jié)果看，該橋型動力特性及地震內(nèi)力響應具有以下特點：

1）通過對其自振特性分析，在塔梁固結(jié)約束條件下，主橋最易發(fā)生主梁豎向振動，周期1.25s；其次是主塔橫向振動，周期是0.97s；對比分析可知，主梁相對主塔更容易發(fā)生振動；對主塔而言，橫向比縱向振動更容易發(fā)生。

2）觀察其在縱、橫向反應譜荷載下主塔內(nèi)力響應可知，縱向地震作用下，彎矩響應呈現(xiàn)紡錘形，塔中較為不利，剪力響應呈現(xiàn)“啞鈴”狀，塔中最小，塔頂及塔底不利；橫向地震作用下，彎矩響應呈現(xiàn)了均勻形的特點，剪力分布仍是塔頂與塔底不利；

3）針對拱形獨塔斜拉橋，尤其是斜塔，研究內(nèi)容尚有需深入研究之處，如拱形主塔在豎向地震作用下的響應特點，針對更加詳細模型的時程分析研究等。□■

[1]張玉偉.獨塔斜拉橋拱形主塔動力特性分析[J].北方交通，2015，（11）：26-30.

[2]王先東.拱形獨塔斜拉橋地震響應分析[D].天津：天津大學，2009.