結構體系對獨塔斜拉橋抗震性能影響分析

陳 啟

（西安市浐灞河發展有限公司，陜西 西安 710024）

斜拉橋因跨越能力較強、經濟指標優秀、施工較為方便等特點，在大跨徑橋梁的設計中被廣泛采用[1]，其中獨塔斜拉橋因美觀的造型、較為輕盈的梁體，更受青睞。為體現美感或滿足河道通航要求，獨塔斜拉橋常采用不等跨布置，其結構體系不僅受靜力影響，很大程度上還受制于抗震動力性能[2]。近年來，隨著抗震設計的完善，人們對獨塔斜拉橋的抗震性能有了進一步的重視，其抗震分析與合理的結構形式選定也受到了越來越多的關注。

一般而言，剛構體系是獨塔斜拉橋較為適宜的結構體系；但在地震高烈度區，若體系剛度過大、自振周期較小，會導致地震反應過于強烈，橋塔底部受到較大地震內力的作用[3]。因此，尋找合適的結構體系，使獨塔斜拉橋在滿足施工方案、景觀要求以及正常使用狀態結構受力的同時，還能更好地適應地震作用、提升結構抗震性能，就顯得十分必要。本文以某不對稱獨塔斜拉橋為例，對其抗震動力性能進行分析，尋求合理的結構體系。

1 工程概況

某雙柱雙索面獨塔雙跨式斜拉橋跨徑為110 m+85 m；梁上塔柱高63.9 m，方向豎直向上；大跨側采用鋼混組合截面，小跨側為預應力混凝土結構；組合結構梁高為2.5 m，預應力混凝土側梁高由2.5 m逐漸過渡到2.2 m。見圖1。

圖1 橋型立面布置

橋塔為矩形截面；組合截面梁為雙主梁截面形式，通過鋼橫梁連接；預應力混凝土箱梁側為單箱多室截面；組合梁跨拉索間距9 m左右，預應力混凝土主梁側拉索間距6.5 m左右。見圖2。

圖2 橋型橫斷面布置

橋位處場地地震動峰值加速度為0.2g，地震基本烈度為Ⅷ度，場地類別為Ⅱ類，特征周期為0.4 s；抗震設防類別為B類，抗震措施等級為四級，抗震設計方法為1類。

通過成橋狀態靜力分析，考慮支座噸位、主梁順橋向穩定性，橋梁體系初步確定為半漂浮體系和剛構體系。半漂浮體系為塔墩固結，塔梁間設置固定支座[4]。由于場地地震基本烈度較高，橋梁體系受制于抗震性能；因此，有必要對兩種體系的抗震性能進行分析比較。

2 橋梁結構計算模型建立及模態分析

2.1 模型建立

結構質量、阻尼、剛度及邊界條件的簡化與選取直接影響抗震時程分析的精度，是抗震時程分析的關鍵[5]。

該橋由鋼筋混凝土主塔、預應力混凝土箱梁、鋼混結合梁和斜拉索組成，材料包括C50混凝土、Q345鋼材和平行鋼絲束。采用ANSYS有限元分析軟件對其進行抗震時程分析，縱梁、橫梁、橋塔、橋墩采用Beam188單元模擬，拉索采用Link8單元模擬，拉索與橋塔及主梁間的連接、橋墩與承臺間的連接剛臂均用MPC184單元模擬，橋面二期鋪裝、護欄及錨箱采用Mass21單元模擬，支座采用主從約束進行模擬，樁基剛度采用Matrix27單元模擬。截面分為組合截面和普通截面兩種，均由CAD導入形成，拉索采用實常數定義截面特性。見圖3。

圖3 計算模型

靜力狀態下，半漂浮結構體系與剛構體系反力基本一致。見表1。

表1 靜力狀態下恒載反力

對于動力狀態，本次以E2地震下的地震波來進行分析比較，采用當地時程波，通過加速度方式輸入，包括順橋向、橫橋向和豎向3個方向的地震作用。

2.2 模態分析

采用模態分析來初步判斷兩種結構體的振動型式并得到各階模態的頻率。半漂浮結構體系一階模態下主塔對稱側彎，頻率為0.557 Hz；二階模態下主塔反對稱側彎，頻率為0.558 Hz；三階模態下主梁豎彎，頻率為0.704 Hz；四階模態下主梁扭轉，頻率為1.143 Hz；五階模態下主梁豎彎，頻率為1.173 Hz。剛構體系一階模態下主塔反對稱側彎，頻率為0.558 Hz；二階模態下主塔對稱側彎，頻率為0.563 Hz；三階模態下主梁豎彎，頻率為0.785 Hz；四階模態下主梁扭轉，頻率為1.158 Hz；五階模態下主梁豎彎，頻率為1.241 Hz。見圖4和圖5。

圖4 半漂浮結構體系

圖5 剛構體系

兩種結構體系除一階、二階呈相反模態外，其余三階模態均相近且剛構體系的頻率比半漂浮結構體系略高。

選取主塔側彎及主梁豎彎兩個模態振型，計算瑞利阻尼參數

式中：ε為阻尼比，按0.03取值；ω1與ω2為對應模態振型的頻率；α與β為瑞利阻尼參數。

兩種結構體系的瑞利阻尼參數見表2。

表2 瑞利阻尼參數

由表2可知，半漂浮結構體系與剛構體系的瑞利阻尼系數相差不大，其中參數α相差約0.4%、參數β相差約2.8%。

3 抗震時程分析

選取3組當地實測地震時程波，每組均包含順橋向、橫橋向和豎向3條波，每條地震波時長10 s，間隔為0.01 s，共1 000個加速度時程數據，不考慮阻尼器的作用。采用完全法的直接積分方法，積分數值計算方法采用Newmark算法，取γ=0.005并將計算的3組地震響應取包絡值。見圖6-圖8。

圖7 主梁豎向地震彎矩

圖8 主塔根部順橋向地震彎矩

由圖6-圖8可知：剛構體系相較于半漂浮結構體系塔頂順橋向位移大21.4%；兩種結構體系的主梁最大豎向地震彎矩均出現在塔梁連接處，但剛構體系相較于半漂浮結構體系主梁根部豎向地震彎矩大42.9%，從主梁受力來看，半漂浮結構體系的抗震性能優于剛構體系；兩種結構體系的主塔順橋向最大彎矩均出現在塔根，剛構體系相較于半漂浮結構體系主塔根部順橋向地震彎矩大10.7%，從主塔受力來看，半漂浮結構體系抗震性能優于剛構體系。

兩個方案的驗算結果見表3。

表3 兩種結構體系驗算結果

由表3可知，兩種結構體系的塔頂橫橋向位移、主梁橫向剪力、主梁橫向彎矩、邊墩支座橫橋向水平剪力差異并不顯著；半漂浮結構體系的塔頂順橋向位移、主梁豎向剪力、主梁豎向彎矩、主塔順（橫）橋向剪力、主塔順（橫）向彎矩等均大幅低于剛構體系。綜上所述，半漂浮結構體系抗震性能優于剛構體系；但半漂浮結構體系的中墩固定支座會承受較大的水平剪力。

4 結論

1）半漂浮結構體系與剛構體系除前兩階振型呈相反趨勢外，其余各階振型均比較接近且剛構體系的自振頻率略高于半漂浮結構體系。

2）半漂浮結構體系與剛構體系的塔頂橫橋向位移、主梁橫橋向剪力、主梁橫橋向彎矩、邊墩支座橫橋向水平剪力差異均不顯著，但半漂浮結構體系其余各地震內力、位移均大幅度低于剛構體系，其抗震性能優于剛構體系。因此，對于在地震高度烈度區設置的獨塔斜拉橋，半漂浮結構體系是相對理想的結構體系。

3）雖然半漂浮結構體系的大部分內力、位移均優于剛構體系，但其中墩固定支座的水平剪力偏大，在實際工程中需著重對該支座進行合理選型設計或增設阻尼器等，以有效降低水平剪力。