獨(dú)塔斜拉橋組合橋塔抗震性能評(píng)估

陳冠華

(福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司 福州 350108)

1 工程概況

由于我國(guó)大量的橋梁修建在地震活動(dòng)頻繁區(qū)域，大跨徑橋梁作為重要的生命線，其在強(qiáng)震作用下的破環(huán)會(huì)造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此，在設(shè)計(jì)橋梁造型的同時(shí)，也要考慮橋梁的抗震性能[1]。

八尺門大橋位于福鼎市八尺門灣，主橋采用33 m+67 m+200 m獨(dú)塔單索面混合梁斜拉橋[2-3]，邊跨設(shè)置輔助墩，塔梁墩為固結(jié)體系。橋梁總體布置圖見圖1。橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為城-A級(jí)，橋面寬33 m，雙向六車道。主梁為混合梁，主跨部分主梁采用鋼箱梁[4]，邊跨主梁采用混凝土梁。斜拉橋結(jié)構(gòu)體系中，橋塔是結(jié)構(gòu)最為主要的受力構(gòu)件，同時(shí)也是橋梁藝術(shù)美感的重要體現(xiàn)之處。該橋的特色之處在于橋塔的設(shè)計(jì)，即采用了混凝土主塔配以鋼混附屬塔的混合塔形式，形成帶有“一帆風(fēng)順”寓意的風(fēng)帆造型的橋塔，橋塔高度為84.41 m。從設(shè)計(jì)角度而言，此種橋塔的主塔以承受豎向壓力為主，附屬塔的存在將對(duì)主塔產(chǎn)生較為不利的偏心作用，受力較常規(guī)橋塔有所不同。為明確此種組合橋塔的動(dòng)力性能，特別是地震作用下的反應(yīng)特點(diǎn)，本文通過建立全橋動(dòng)力分析模型，對(duì)比附屬塔對(duì)橋塔地震反應(yīng)的影響規(guī)律，進(jìn)而評(píng)估此種混合塔的抗震性能。

圖1 八尺門大橋總體布置圖(單位：m)

2 動(dòng)力分析模型的建立與地震動(dòng)輸入

2.1 有限元模型的建立

本文采用midas Civil有限元分析程序，分別建立了3種動(dòng)力模型。

M1。混凝土主塔+鋼混附屬塔的獨(dú)塔斜拉橋模型見圖2a)所示。

M2。混凝土主塔+混凝土附屬塔的獨(dú)塔斜拉橋模型見圖2b)所示。

M3。不考慮附屬塔的斜拉橋模型見圖2c)所示。

M1中，全橋由201個(gè)梁?jiǎn)卧?0個(gè)索單元組成；橋塔及主梁采用梁?jiǎn)卧M，斜拉索采用只受拉索單元模擬，并考慮了索的非線性作用。為簡(jiǎn)化分析，邊界條件取為橋塔承臺(tái)底部固結(jié)，邊墩及輔助墩頂支座采用彈性連接，釋放順橋自由度的同時(shí)約束橫橋向自由度[5]。M2的建立是通過替換附屬塔中間部分的鋼結(jié)構(gòu)為混凝土結(jié)構(gòu)予以實(shí)現(xiàn)，M3則是通過在M1的基礎(chǔ)上刪除附屬塔結(jié)構(gòu)予以實(shí)現(xiàn)。

圖2 動(dòng)力分析數(shù)值模型

2.2 地震動(dòng)輸入

橋梁所處位置抗震設(shè)防烈度為6度，場(chǎng)地類別II類，抗震設(shè)防類別為甲類。根據(jù)CJJ 166-2011 《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]的規(guī)定，本文選取地震安評(píng)報(bào)告[7]提供的3條人工波作為輸入地震動(dòng)，地震動(dòng)峰值取為 0.24g。抗震分析計(jì)算方法采用時(shí)程分析方法，并且每條地震波分別沿結(jié)構(gòu)的縱向與橫向輸入。輸入地震波的時(shí)程曲線圖見圖3。

3 動(dòng)力特性分析

橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析是抗震性能評(píng)估的基礎(chǔ)。本文對(duì)3種動(dòng)力分析模型分別進(jìn)行了動(dòng)力特性分析，并提取各自前5階振動(dòng)形態(tài)進(jìn)行對(duì)比。動(dòng)力特性分析結(jié)果見表1。

限于篇幅，本文僅列出M1模型具有代表性的前3階振型，示意見圖4。

圖4 八尺門大橋M1前3階振型

從結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形態(tài)上看，相較于主梁的豎向抗彎剛度而言，橋塔的橫向剛度較小，因此，橋塔的面外彎曲振動(dòng)形態(tài)較早出現(xiàn)；其次，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形態(tài)表現(xiàn)出了多振型耦合的特點(diǎn)，主梁的豎向振動(dòng)與橋塔的縱向彎曲振動(dòng)形式耦合效應(yīng)明顯。此外，從結(jié)構(gòu)的自振頻率來看，由于結(jié)構(gòu)體系采用了塔梁墩固結(jié)體系的形式，因此相較于常規(guī)漂浮與半漂浮體系而言，結(jié)構(gòu)的自振周期相對(duì)較短。

從結(jié)構(gòu)形式的變化來看，與不考慮附屬塔結(jié)構(gòu)相比，含有附屬塔結(jié)構(gòu)的自振周期略有延長(zhǎng)，但影響程度較小；而更改附屬塔部分結(jié)構(gòu)材料對(duì)整體結(jié)構(gòu)的自振特性的影響可忽略不計(jì)。因此就動(dòng)力特性而言，將附屬塔部分改成鋼結(jié)構(gòu)形式，在大大提高施工便利性的同時(shí)，并不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性產(chǎn)生影響。

4 地震反應(yīng)

為全面了解橋梁的抗震性能，采用時(shí)程分析方法探討結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特性，進(jìn)而分析橋梁的抗震性能[8-11]。根據(jù)規(guī)范，在輸入3條地震動(dòng)加速度記錄時(shí)，取3條地震動(dòng)時(shí)程分析結(jié)果的最大值作為結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)結(jié)果。

4.1 結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)

橋塔分別在縱向、橫向地震動(dòng)作用下的位移反應(yīng)情況圖見圖5。3種模型位移反應(yīng)表格見表2。

圖5 塔墩結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)

表2 3種模型位移反應(yīng)表 mm

由圖5及表2可知，無論橋塔是否存在附屬塔，主塔的橫向剛度均小于縱向剛度，主塔塔頂?shù)臋M向位移明顯，位移量約為48 cm左右，這與結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的分析結(jié)果一致。同時(shí)，帶有附屬塔的橋塔結(jié)構(gòu)的橫向位移較為接近，與不考慮附屬塔情況相比，位移增加量約為1.4%，可近似認(rèn)為附屬塔對(duì)結(jié)構(gòu)橫向位移反應(yīng)的影響不大。附屬塔的存在對(duì)橋塔縱向的位移反應(yīng)略有影響，與不設(shè)置附屬塔情況相比，鋼混附屬塔塔頂?shù)奈灰品磻?yīng)增加約為5.2%，基本與僅有主塔的情況較為接近，而混凝土組合塔主塔塔頂位移增加量約為18%。混凝土組合塔在增加塔身剛度的同時(shí)，由于自身重量較大，因此造成塔頂?shù)奈灰埔蚕鄬?duì)較大。

4.2 地震內(nèi)力反應(yīng)

塔墩結(jié)構(gòu)在地震作用下的彎矩情況圖見圖6。

圖6 塔墩結(jié)構(gòu)彎矩

由圖6可見，塔墩結(jié)構(gòu)的地震內(nèi)力反應(yīng)以橫向更為突出，在設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)橫向抗震設(shè)計(jì)予以足夠的重視，避免出現(xiàn)橫橋向的嚴(yán)重?fù)p傷；此外，從橋塔的內(nèi)力反應(yīng)來看，配有鋼混附屬塔的主塔結(jié)構(gòu)其塔底縱向地震彎矩為3種橋塔方案中的最小值，塔底內(nèi)力反應(yīng)減小幅度約為14%；橫向地震反應(yīng)則介于不考慮附屬塔以及考慮混凝土附屬塔兩者之間，由此可以說明，鋼混附屬塔的配置一定程度上分擔(dān)了主塔的地震內(nèi)力，有利于組合塔的抗震，其抗震性能優(yōu)于其他2種結(jié)構(gòu)。

4.3 附屬塔地震內(nèi)力反應(yīng)

表3列出了2種附屬塔結(jié)構(gòu)在塔底截面及鋼混連接截面處的地震內(nèi)力反應(yīng)結(jié)果。

表3 2種不同材料附屬塔結(jié)構(gòu)地震內(nèi)力反應(yīng)

由表3可知，對(duì)于附屬塔結(jié)構(gòu)，在相同地震動(dòng)強(qiáng)度作用下，鋼混形式的附屬塔關(guān)鍵截面的地震內(nèi)力反應(yīng)明顯低于混凝土附屬塔，鋼混附屬塔關(guān)鍵截面的內(nèi)力反應(yīng)僅為混凝土附屬塔關(guān)鍵截面內(nèi)力的22%～70%，這說明在滿足美觀要求的同時(shí)，鋼混結(jié)構(gòu)附屬塔在一定程度上減輕主塔地震反應(yīng)，也使得自身的抗震性能優(yōu)于混凝土橋塔。

5 結(jié)語

本文以福鼎八尺門大橋?yàn)楸尘埃攸c(diǎn)討論了八尺門大橋組合橋塔結(jié)構(gòu)的抗震性能，得到以下主要結(jié)論。

1) 通過動(dòng)力特性分析可以看出，組合橋塔結(jié)構(gòu)的斜拉橋，建筑材料的改變對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響可忽略不計(jì)，組合塔結(jié)構(gòu)的自振周期略有延長(zhǎng)，且振動(dòng)特性以橋塔的面外振動(dòng)以及橋塔與主梁的耦合振動(dòng)為主。

2) 就組合塔結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特點(diǎn)而言，組合塔結(jié)構(gòu)形式對(duì)縱向位移的反應(yīng)有所區(qū)別，鋼混結(jié)構(gòu)組合塔的縱向位移介于其他2種橋塔形式之間，橫向位移反應(yīng)差別不大；但從內(nèi)力反應(yīng)來看，鋼混組合塔除降低了自身的地震內(nèi)力相應(yīng)外，同時(shí)還減小了主塔的地震內(nèi)力響應(yīng)，進(jìn)而一定程度上提升了主塔的抗震性能。

綜合考慮上述分析結(jié)果，采用鋼混組合橋塔的結(jié)構(gòu)形式，在實(shí)現(xiàn)橋梁立體景觀及便于施工的要求的同時(shí)，也在一定程度上優(yōu)化了主塔的地震反應(yīng)，提升了橋塔結(jié)構(gòu)的抗震性能。