獨塔斜拉橋抗震分析

王 思 維

(沈陽建筑大學，遼寧 沈陽 110168)

近年來我國橋梁建設突飛猛進，如今工程中越來越多采用大跨度，新型結構橋梁。橋梁作為一種永久性工程，工程中對其耐久性，可靠性提出了更高要求。近些年我國地震頻發，特別在汶川大地震之后，當地的橋梁受到了很大程度破壞[1]，目前我國在橋梁抗震領域還存在一定空白。橋梁在地震荷載作用下很容易產生損傷，影響其正常使用，帶來不必要的經濟損失。特別對于獨塔斜拉橋結構，其結構形式復雜，地震作用下，成橋階段受力形式多樣。作為工程設計人員，要保證規劃設計的橋梁在設計年限內正常使用，準確分析橋梁的受力特性，理解其在荷載作用下的受力原理，才能減少地震荷載對主塔的破壞，才可以保證特殊結構橋梁震后的良好工作性能，為今后類似工程的設計提供理論依據，因此對獨塔斜拉橋重點工程的深入研究尤為重要[2]。

1 工程概況

文昌西路橋采用獨塔斜拉橋的結構形式，結構設計新穎，屬于引江濟淮工程的重點工程，橋位處于安徽省廬江縣廬城鎮，主塔采用H形造型，主塔材料采用鋼筋混凝土結構，主塔凈間距24 m，塔高80 m,主跨拉索間距10.5 m，邊跨拉索間距7 m，共24對48根，斜拉索采用鍍鋅平行鋼絲成品斜拉索。主塔基礎采用鉆孔樁群樁基礎；根據GB 18306—2015中國地震動峰值加速度區劃圖，安徽省廬江縣廬城鎮Ⅱ類場地條件下，對應地震烈度為7度。

2 結構動力特性計算

2.1 計算模型圖

根據橋梁設計采用的材料，建立Midas計算模型。成橋狀態計算圖如圖1所示。

2.2 主塔結構動力特點

對于全橋有限元模型振型相關參數見表1。

表1 成橋時結構動力特點

3 結構抗震分析

3.1 反應譜的選取

對于反應譜的選取，首先要根據規范要求，其次要考慮工程場地的因素。反應譜的選取為：

Sa(T)=Amaxβ(T)。

其中，Amax[3]為設計地震動峰值加速度;β(T)[4]為設計地震動加速度放大系數反應譜，按CJJ 166—2011城市橋梁抗震設計規范，由下式[5]確定：

其中，T為結構自振周期，T取0.1 s;βmax為反應譜最大值;Tg為特征周期；γ為反應譜下降段的衰減指數；η1,η2分別為結構阻尼調整系數。

在E1地震作用時，水平向地震動峰值加速度50年發生的超過概率10%取為0.1g。 在E2地震作用時，水平向地震動峰值加速度50年發生的超過概率10%取為0.22g。對E1，E2地震作用的兩種工況，豎向地震動峰值加速度取為水平向地震動峰值加速度的2/3，即E1地震作用豎向加速度取0.067g，E2地震作用豎向加速度取0.15g。

3.2 反應譜分析

本橋結構主塔在E1和E2地震作用下的反應譜計算結果變化趨勢見圖2～圖7。

由圖2，圖3之間的對比可知，E2地震作用的最大彎矩明顯大于E1地震作用的彎矩，由兩幅圖之間的峰值比較可知，縱向+豎向反應是影響結構主要組合，由圖4，圖5 比較可知，E2地震作用下，縱向+豎向反應對主塔結構的影響較大，設計可以作為最不利荷載組合來考慮，由圖6，圖7可知，E2作用下橫向+豎向組合對主塔結構軸力影響較大。

對主塔結構的位移在E2地震作用下進行計算，結果如表2所示。

表2 E2地震作用下主梁的地震位移響應

根據表2計算結果，橫向+豎向反應的塔頂位移大于縱向+豎向反應的塔頂位移，計算位移需將橫向+豎向反應作為最不利組合考慮。

3.3 時程分析參數

E1，E2水準下的地震波時程曲線見圖8，圖9。

4 結構抗震驗算

根據CJJ 166—2011城市橋梁抗震設計規范的抗震驗算方法， 3.2節反應譜分析計算結果，以及鋼筋混凝土結構截面的配筋，對主塔的控制截面進行抗震性能驗算,如圖10所示。

采用纖維單元，對各控制截面進行劃分，計算了各控制截面的初始屈服彎矩和等效屈服彎矩。

E1地震作用下，主塔材料滿足應力—曲線的關系，鋼筋未達到屈服狀態，可以正常發揮其性能，主塔在地震作用產生的最大彎矩也小于初始屈服彎矩；E2地震作用下，主塔局部會產生裂縫，不影響其使用，同時主塔的位移也滿足規范要求，主塔地震反應產生的彎矩小于等效屈服彎矩。

其中，K為結構穩定安全系數；Pcr為結構的極限承載力；PT為結構恒載與活載之和。

由表3可以看出，本橋成橋狀態下的穩定安全系數達到42.2，遠遠大于《城市橋梁抗震設計規范》中的穩定安全系數4，滿足有關規范的要求，結構靜力穩定性滿足要求。

表3 成橋狀態結構穩定性計算結果

5 結語

1)與E2地震作用相比，E1地震作用下，主塔的彎矩、剪力、軸力均較小，因此在工程抗震設計中可將E2地震作用作為最不利的影響因素。

2)縱向+豎向地震作用在塔柱行車道位置產生的彎矩出現峰值，在工程設計中該位置一定范圍內要適當加固補強。

3)在地震作用下，塔柱中點位置以下的剪力遠遠大于塔柱兩端位置處的剪力，在主塔設計時可采用對塔柱中下方位置箍筋加密的方法提高塔柱的抗剪性能。

4)在E1，E2地震作用下，軸力沿著主塔分布變化的趨勢大致相同，出現峰值的位置也基本一致。橫向荷載作用下產生的軸力峰值大于縱向荷載作用產生的峰值，抗震設計中，需將橫向+豎向地震作用作為最不利荷載考慮。

5)本橋成橋狀態下的穩定安全系數均大于4，滿足《城市橋梁抗震設計規范》的要求，結構靜力穩定性滿足要求。