支座剪斷對獨塔斜拉橋抗震性能影響的研究

王龍

（石柱土家族自治縣交通局 農村公路管理站，重慶409100）

獨塔斜拉橋的索塔往往具有足夠的抗震性能，一般情況下不宜發生嚴重損傷或破壞，邊墩和過渡墩在順橋向采用滑動體系，可以有效的降低地震響應，但在橫橋向采用固結體系，則會急劇放大其地震響應。支座作為獨塔斜拉橋的重要約束體系，同時也是上部結構地震力傳遞的關鍵構件，其性能完好程度對結構抗震性能的影響值得進一步研究[8]。

本文主要針對某新建獨塔斜拉橋的抗震問題展開研究。由于采用塔梁固結體系，橋塔兩側邊墩在橫橋向往往采用固結體系，在橫向地震作用下上部結構地震力通過支座傳遞到下部橋墩，因此，支座在地震作用下工作性能完好程度直接決定上部結構地震力的傳遞。有鑒于此，本文結合橋梁特點，對考慮支座橫向剪斷和不考慮支座橫向剪斷兩種情況下結構抗震性能進行對比研究，以期揭示支座性能對結構抗震性能影響規律，為工程抗震設計提供技術參考[3]。

1 工程概況

某市新建獨塔斜拉橋全長396m，主橋采用145m+75m 獨塔斜拉橋，主橋寬度為33.6m；引橋采用22m 裝配式預應力混凝土剛接空心板梁，引橋長度為176m，寬度為22m。全橋跨徑組合為：3×22（引橋）+145m（主跨）+75m（邊跨）+5×22（引橋）=396m。主塔及橋墩樁基采用φ150cm 鉆孔灌注樁基礎，按摩擦樁設計，持力層為粉砂層，樁端采用后注漿工藝。橋跨布置及整體斷面布置見圖1。

圖1 橋梁總體布置圖

2 分析基礎

2.1 有限元模型

采用SAP2000 建立全橋有限元模型，如圖3 所示。主梁、索塔、過渡墩都用空間梁單元模擬。斜拉索采用只受拉空間桁架單元模擬，按Ernst 公式修正垂度效應[3]，并考慮恒載初始內力所引起的幾何剛度變化。支座采用彈簧單元模擬，其中活動方向按雙線性滯回模式考慮滑移摩擦效應，摩擦系數取5%。樁-土共同作用采用6×6 集中土彈簧模擬，彈簧剛度系數根據m法計算得到。體系阻尼采用Rayleigh 模型，阻尼系數取3%[3]。

圖2 全橋有限元分析模型

2.2 分析工況

本文在獨塔斜拉橋考慮支座剪斷和支座完好兩種情況下，對結構E1/ E2 兩水準抗震性能進行對比研究，共計分析兩個工況，各分析工況支座設置見表1。

表1 分析工況支座設置

2.3 地震動輸入

場地安評報告提供了E1/ E2 地震下的設計反映譜和各7條地震波時程曲線。圖3 為典型加速度時程曲線和設計反應譜，由圖可知，匹配情況良好。采用非線性時程分析研究表1 中的各分析工況，鑒于本文研究變量為支座橫向剪斷，故僅對橫向地震作用進行分析，地震動輸入采用橫向+豎向方式。

圖3 地震動輸入

3 分析結果與討論

3.1 地震響應分析

采用非線性時程分析法對獨塔斜拉橋在考慮支座剪斷和支座完好兩種情況下的地震響應進行分析。為減小地震動頻域差異對分析結果的影響，本文E1/E2 地震分析結果取七條實際波的平均值，結構關鍵構件地震響應如下。

表2 結構關鍵構件E1 地震響應值

表3 結構關鍵構件E2 地震響應值

表4 結構關鍵截面E1 地震抗震性能分析

表5 結構關鍵截面E2 地震抗震性能分析

由表2、表3 地震響應分析結果可得：在獨塔斜拉橋過渡墩固定支座橫向剪斷后，主梁等上部結構地震力無法有效傳遞至下部橋墩，從而導致兩側過渡墩關鍵截面地震響應呈減小趨勢，相比支座性能完好，支座剪斷后過渡墩內力減小最多可達20%；同理，由于支座剪斷后兩側過渡墩為主塔分擔的橫向地震力減小，從而導致主塔地震響應增大，具體表現為塔底截面內力增大20%，塔頂位移增大8%左右；主梁兩端由于缺乏支座橫向約束，橫向位移急劇增大，具體表現為，在E1 地震下增加1.7倍，在E2 地震下增加70%倍。

3.2 抗震性能分析

為研究支座剪斷對獨塔斜拉橋橫向抗震性能的影響，結合前面小節對地震響應分析結果，采用能力需求比法，對結構關鍵截面E1/E2 兩水準抗震性能做出分析，分析結果如下：

由表4、表5 分析結果可得：獨塔斜拉橋在考慮支座剪斷和支座完好兩種情況下，各關鍵截面均能抗震性能要求；對比各關鍵截面能力需求比值可得，支座剪斷后兩側過渡墩能力需求比值略大于支座完好能力需求比值，安全儲備更高；反之，橋塔關鍵截面在支座剪斷后的能力需求比支座完好時略小，安全儲備稍低。

4 結論

本文主要結論如下：

4.1 對于本文的獨塔斜拉橋而言，考慮支座剪斷后，由于主梁在兩側過渡墩處沒有了橫向約束，主梁等上部結構的橫向地震力不能有效傳遞至兩側過渡橋墩，過渡橋墩橫向地震響應有減小趨勢，對于過渡墩而言是有利于抗震的；同理，由于兩側過渡對主塔地震力分擔作用減小，主塔橫向地震響應呈增大趨勢，此時對主塔抗震是不利的。

4.2 由于支座發生剪斷破壞，因此主梁在兩側過渡墩處喪失了橫向約束，導致主梁在兩側梁端的橫向地震位移響應大幅增加，在E2 地震作用下，梁端的最大位移達189.2mm。

4.3 由于支座發生剪斷破壞，盡管主梁梁端的橫向位移響應大幅增大，但抗震驗算表明，主橋結構的索塔、主墩關鍵結構構件的抗震性能均滿足預期的性能目標。從這個角度來看，允許支座在地震作用下發生剪斷破壞并不會引起主橋結構關鍵構件的抗震安全。

注釋

①SX 表示雙向支座、DX 表示橫向固定支座.

②地震響應比表示結構考慮支座剪斷地震響應值與支座完好地震響應值的比值.