獨塔斜拉橋抗震性能分析（交通）
獨塔斜拉橋抗震性能分析（交通）
張衛紅
（中鐵大橋局集團有限公司設計分公司 武漢 430050）
摘要為對特殊橋梁進行抗震分析，以一座72.5 m+62.5 m不等跨預應力混凝土獨塔雙索面
斜拉橋為工程背景，建立全橋三維空間有限元模型，在動力特性計算基礎上，采用地震反應譜多維抗震分析方法，輸入不同等級的地震動作用，對結構進行了抗震性能分析。分析采用基于纖維模型的截面彎矩曲率彈塑性分析方法。計算結果表明，該獨塔斜拉橋結構在El和E2地震作用下具有良好的整體抗震性能。
關鍵詞 獨塔斜拉橋 動力特性 地震反應譜纖維模型 彈塑性分析方法
近年來，我國修建了大量斜拉橋，其中獨塔斜拉橋以其明確可靠的受力體系而得到廣泛的應用，這些橋梁的抗震性能越來越受到重視。但由于目前關于斜拉橋的抗震研究工作還不夠充分，交通部發布的《公路橋梁抗震設計細則》(JTG/T B02-01-2008)（以下簡稱《細則》）中，對斜拉橋等特殊橋梁只給出了設計原則。為此，國內外許多學者對其展開過深入的理論性研究，并就不同的抗震計算方法給出了實踐性指導建議。
筆者依據橋梁抗震設計相關規范，依托工程設計實例，提出了基于纖維模型的彈塑性分析方法，對預應力混凝土獨塔斜拉橋采用多振型反應譜法進行基于性能目標的抗震計算分析，為該類橋梁的抗震設計提供參考。
1 工程概況
遼寧省海城市同澤大橋主橋采用72.5 m+62.5 m不等跨預應力混凝土獨塔雙索面斜拉橋。
斜拉橋主梁采用預應力混凝土變高、變寬箱梁，箱梁采用單箱3室截面，邊支點、跨中箱梁中心高2.4 m，在橋塔位置局部加高為3.2 m。主塔柱采用橢圓型外包鋼板混凝土結構，塔高自梁頂以上45 m，單個截面橫橋向寬度截面為變寬度（塔頂至塔梁固結底面為2.5 m，承臺頂為4m），縱橋向寬度截面為變寬度（塔頂為4.0 m，橋面處為5.0 m，承臺頂為6m），斜拉索采用直徑7 mm的平行鋼絲，冷鑄錨體系，塔上設張拉端。橋塔下采用2個由系梁連接的承臺，承臺尺寸為14.4 m×22.0 m×4.5 m。基礎采用24根直徑2.0 m樁基礎。
2有限元模型建立
采用Midas/Civi建立結構空間有限元計算模型。其中主梁、墩柱、樁基均采用空間梁單元模擬。考慮斜拉索垂度效應，并利用節點彈性支撐模擬樁一土相互作用，其順橋向、橫橋向及豎向約束剛度采用m法計算。計算模型見圖1。
3動力特性分析
按照多自由度結構的自由振動進行特征值分析，將成橋狀態前10階頻率及振型列于表1。
通過計算分析，該獨塔斜拉橋體系具有如下動力特性。
(1)由于本斜拉橋為塔梁固接體系，計算結果表明該橋基本周期較短，理論計算值為0. 903 s，反映出該體系的斜拉橋剛度較大的特點。
(2)結構的1階模態為塔縱彎、梁反對稱豎彎，表明主塔在縱向剛度上小于橫向剛度，主塔順橋向地震計算中可能為最不利。但結構在隨后發生的2階模態中即出現塔橫向撓曲，說明主塔橫橋向地震效應也應該引起重視。
(3)雙索面斜拉橋由于拉索能提供抗扭能力，導致結構抗扭剛度增加，扭轉頻率增大，由計算可知，該橋在第9階振型中才出現塔水平面扭曲。
4抗震計算分析
4.1分析方法
橋位區地震基本烈度7度，地震動反映譜特征周期為0. 35 s，設計地震峰值加速度為0.15g，工程場地類型為II類。抗震計算中，結構地震響應通過加速度反應譜分析得到，反應譜結果采用《細則》中相關規定。
根據《細則》，本72.5 m+62.5 m獨塔斜拉橋為7度區的B類橋梁，應按下列要求進行抗震驗算。
(1)在El地震作用下，結構不發生損傷，保持在彈性范圍內。
(2)在E2地震作用下，主塔、基礎、主梁等重要結構受力構件局部可發生可修復的損傷，地震后基本不影響通行。
地震作用的振型組合采用CQC法；計算地震時考慮2種組合：恒載作用效應十地震作用效應，地震作用效應分別考慮順橋向X（同時計入豎向Z）和橫橋向Y(同時計人豎向Z)的地震作用。
4.2地震力計算結果
主塔抗震計算中控制截面位置示意見圖2，鑒于篇幅所限，僅列出E2地震作用下各部位地震力計算結果見表2。
在E1和E2地震作用下，由于考慮到豎向地震作用，因此存在著軸向力最大（豎向地震作用向下）和軸向力最小（豎向地震作用向上）2種情形。
由地震力計算結果可知，在E2順橋向地震作用下，塔底截面彎矩最大，為228 959 kN．m，梁頂緣塔截面彎矩亦較大，為152 112 kN．m；橫橋向地震作用下，塔底截面彎矩為135 551 kN．m，梁頂緣塔截面彎矩為89 886 kN．m。
根據主塔設計方案中的截面配筋及地震效應判斷，主要對梁頂緣及塔底2控制截面進行抗震驗算。驗算按E1地震作用階段和E2地震作用階段分別進行。
4.3截面彎矩一曲率分析
《細則》中關于特殊橋梁抗震設計的章節里，提到了將驗算截面劃分為纖維單元，并通過數值積分法得出彎矩一曲率曲線的計算方法。
基于此，通過建立合適的彈塑性材料滯后模型，對混凝土采用Mander模型，對鋼筋材料采用一般對稱的雙折線模型，并通過截面纖維劃分計算出主塔主要控制截面在不同地震作用下的彎矩曲率曲線。圖3示例性給出了主塔塔底截面在E2地震作用下的縱向彎矩曲率曲線。
4.4抗震驗算結果
E1及E2地震作用下主塔梁頂緣及塔底截面抗震驗算結果見表3。
抗震驗算結果表明，在E1地震作用下，橋塔截面彎矩小于截面初始屈服彎矩My（考慮軸力）。由于My為截面最外層鋼筋首次屈服時對應的初始屈服彎矩，因此當地震反應彎矩小于初始屈服彎矩時，整個截面保持在彈性，結構滿足在彈性范圍工作的性能目標。
在E2地震作用下，橋塔截面彎矩小于截面等效抗彎屈服彎矩M e q（考慮軸力）。M e q是把實際彎矩一曲率曲線等效為理想彈塑性雙線性恢復力模型時得到的等效抗彎屈服彎矩。從理想彈塑性雙線性模型看，當地震反應彎矩小于等效抗彎屈服彎矩時，結構整體反應還在彈性范圍內。
5結語
(1)由動力特性分析的結果可以看出，海城市同澤大橋主橋采用塔梁固結體系，結構的1階模態表現為塔縱彎、梁反對稱豎彎，塔縱彎先于橫彎發生，表明主塔縱向剛度小于橫向剛度，主塔順橋向地震計算中為最不利，抗震驗算中證實了此點。
(2)依據抗震細則中關于特殊橋梁抗震設計的有關規定，主塔作為獨塔斜拉橋的重要結構受力構件，在E2地震作用下其局部可發生可修復的損傷。文中提到的彈塑性雙線性模型等效抗彎屈服彎矩在實際中對應的結構反應為截面部分鋼筋進入屈服，但整體還處在彈性范圍內。這種性能目標階段處于完全彈性構件與延性構件（產生塑性鉸）之間，即認為主塔等重要構件抗震設計要求要高于邊墩等橋梁結構中比較容易修復的構件。
