大跨度高低塔斜拉橋時程地震響應分析

吳 卓

(重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074)

1 工程概況

瀘州市榕山長江大橋位于四川省瀘州市合江縣榕山鎮城區，橫跨長江，主橋橋寬24.5 m，引橋橋寬18.5 m，均按公路一級荷載設計，屬特大橋。橋梁主橋孔跨布置為(200+530+245+80)m雙塔(高低塔)混凝土斜拉橋；引橋孔跨布置為12 m×25 m預應力混凝土簡支小箱梁，全橋長1 371 m。瀘州榕山長江大橋工程擬采用一級公路技術標準。榕山長江大橋部分結構從左往右依次為左岸橋臺，低塔，高塔，輔助墩，交界墩，其中輔助墩有左肢和右肢共兩肢，交界墩有左肢、中肢和右肢共三肢。

2 有限元模型與動力特性

2.1 有限元模型的建立

采用有限元分析軟件Midas/civil建立包括主橋(橋塔、斜拉索、主梁、橋墩、橋面板和樁基)和引橋一體的三維有限元模型。其中主橋橋塔、主梁、樁基、橋墩采用空間梁單元來進行模擬，橋面板由板單元模擬，斜拉索由空間桁架單元來進行模擬。對于斜拉索與橋塔、斜拉索與主梁的連接，通過共用同一個結點來實現；橋塔與主梁、輔助墩與主梁和交界墩與主梁通過設置彈性連接來模擬盆式橡膠支座連接；對于主塔、輔助墩和交界墩下群樁和土體之間的樁—土相互作用的模擬，采用集中質量法將樁—土離散為質量—彈簧—阻尼系統，其中等代土彈簧單元的剛度采用“m”法確定。

2.2 動力特性分析計算

結構的動力特性(周期和振型)是結構本身固有的屬性，只與結構本身有關(如質量、剛度和約束方式等)，需要注意在有限元模型分析處理時要用到荷載轉化為質量功能將附加的構件荷載轉化為質量以進行分析。本文運用Lanczos法計算橋梁的前400階模態，得到順橋向(DX)累計振型參與質量97.50%，橫橋向(DY)累計振型參與質量96.37%，豎向(DZ)累計振型參與質量90.30%。本文只給出模型的前十階模態及其描述(表1)和前三階模態圖(圖1～圖2)。

表1 橋梁動力特性表

圖1 第一階振型(周期11.269 9 s)

圖2 第二階振型(周期5.076 2 s)

由計算結果可以看出：

(1)該斜拉橋的一階振型為主梁縱飄，一階自振周期為11.269 9 s，遠高于二階振型主梁橫向振動(自振周期5.076 2 s)，說明榕山長江大橋縱向約束較為薄弱，地震發生時容易產生破壞，應予以適當加強；

(2)該斜拉橋的五階振型出現了主塔側彎，主塔的抗彎剛度在地震中起到重要作用，在進行抗震分析時應注意限制主塔的側向位移；

(3)該斜拉橋的九階振型出現了主梁的扭轉振動，說明該斜拉橋的主梁抗扭能力相對較大。

3 時程地震響應分析

3.1 選取地震波

采用地震波生成軟件SeismoArtif生成7條地震波，由《公路橋梁抗震設計細則》(JTG-TB02-01-2008)規定，選用擬合的7條地震波內的3條相對較好的地震波，抗震分析時取三者最大值，規范生成的反應譜與選用的地震波對比見圖3，由此可知選用的三條地震波效果較好，三條人工波如圖4～圖6所示。

圖3 規范反應譜與人工波對比

圖4 人工地震波1

圖6 人工地震波3

3.2 分析工況

根據《公路橋梁抗震設計細則》，在進行橋梁抗震分析時，需要考慮水平地震作用(包括橫橋向地震作用和順橋向地震作用)和豎向地震作用的共同響應，同時細則指出，計算時豎向地震時程可取水平地震時程的2/3，本文在運用Midas/civil計算地震作用時豎向地震時程的取值方式為水平地震時程乘以0.667。

《公路橋梁抗震設計細則》(JTG-TB02-01-2008)第6.5.2條規定，時程分析的最終結果，當采用3條地震波計算時，取3條地震波計算結果的最大值作為最終結果，固最終工況如表2所示。

表2 地震時程工況表

3.3 內力計算結果

按照設定工況進行計算并進行組合，最終得到工況7和工況8的結果，其中工況7(縱橋向地震作用+豎向地震作用)部分控制截面內力計算結果見表3， 工況8(橫橋向地震作用+豎向地震作用)部分控制截面內力計算結果見表4。表3和表4中最后一列為相應控制截面按照規范規定最小配筋率配筋后的截面承載能力限值。

表3 工況7(縱橋向地震作用+豎向地震作用)

表4 工況8(橫橋向地震作用+豎向地震作用)

從表3和表4可以看出：

(1)該斜拉橋在橫橋向地震作用+豎向地震作用下截面內力高于其在順橋向地震作用+豎向地震作用下截面內力，說明該斜拉橋橫向剛度比豎向剛度薄弱，地震發生時會優先發生橫向破壞，應加強橫向聯系增大其橫向剛度；

(2)該斜拉橋各控制截面在規范最小配筋率下其抗彎彎矩遠大于相應截面在地震作用時產生的彎矩，說明該斜拉橋抗震能力較好。

3.4 支座驗算

《公路橋梁抗震設計細則》(JTG-TB02-01-2008)第6.3.7條規定，抗震分析時應考慮支座的影響，各支座在橫向地震作用+縱向地震作用下的橫向剪力如表5所示，其中表5中的最后一列為盆式橡膠支座剪力承載力極限值。

表5 橫向+豎向地震作用下各支座橫向剪力

從表5可以看出，左岸橋臺處支座橫向抗剪能力存在不足情況，建議在橋臺、主梁和橋墩及塔梁之間設置橫向限位裝置，并在橫向限位裝置與主梁的橫向自由間隙中填充緩沖材料，減小沖擊碰撞作用。

4 結 論

(1)斜拉橋橫向剛度比豎向剛度薄弱，地震發生時會優先發生橫向破壞，應加強橫向聯系增大其橫向剛度；

(2)斜拉橋各控制截面在規范最小配筋率下其抗彎彎矩遠大于相應截面在地震作用時產生的彎矩，說明該斜拉橋抗震能力較好；

(3)橋臺處支座橫向抗剪能力存在不足情況，建議在橋臺、主梁和橋墩及塔梁之間設置橫向限位裝置，并在橫向限位裝置與主梁的橫向自由間隙中填充緩沖材料，減小沖擊碰撞作用。