大跨徑斜拉橋索塔靜力彈塑性分析

陳星燁　劉瑞山

摘要：文章選取集中荷載分布、均布荷載分布、倒三角荷載分布三種加載模式按橫橋向?qū)Υ罂缍刃崩瓨蛩魉M行Pushover分析，得到索塔橫橋向Pushover分析曲線，并轉(zhuǎn)化成能力譜，將能力譜曲線與不同需求譜曲線畫在同一坐標系中，對橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能進行評價，結(jié)果表明：在Ⅱ類場地7度和8度罕遇地震作用下，左、右主塔均在彈性工作階段。在9度罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)已接近破壞。

關(guān)鍵詞：靜力彈塑性；大跨徑斜拉橋索塔；加載模式；能力譜；需求譜

中圖分類號：U448 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2009）15-0168-02

一、理論分析

（一）工程簡介

某斜拉橋主橋為184米+460米+184米塔雙索面PC梁斜拉橋，全長828m。全幅橋采用采用分離式箱型斷面，半漂浮體系，索塔選用H塔形，各設(shè)兩道橫梁系，將索塔分為上塔柱、中塔柱和下塔柱三部分。索塔采用箱型截面，索塔內(nèi)采用角鋼組拼成勁性骨架。

橋墩僅設(shè)置一個交界墩，兩岸均設(shè)輔助墩，輔助墩由雙柱式樁基礎(chǔ)組成，每隔輔助墩對應(yīng)一個箱梁。樁基礎(chǔ)為支持樁，由21根樁徑為2.5米群樁組成，樁基嵌入弱風化層，為嵌巖樁。

斜拉索：采用￠15.24環(huán)氧噴涂鋼絞線，主橋斜拉索共有六種規(guī)格，共計304根。

（二）索塔橫向靜力彈塑性分析模型

斜拉橋為柔性結(jié)構(gòu)，基本周期較長，在地震作用下的受力一般不會很大，但在罕遇地震作用下，塔柱有可能屈服進入塑性工作階段。索塔由于斜拉索的約束，剛性大大增強，以主塔振動為主的振型出現(xiàn)的較晚，斜拉索對主塔縱向的約束遠遠大于橫向，以主塔縱向振動為主的振型遠遠落后于橫向。對索塔而言，結(jié)構(gòu)橫橋向響主要由其第二振型控制。本文選取剛度相對較弱的索塔橫向進行push-over分析，由于南塔和北塔基本對稱性，本文選取南塔進行靜力彈塑性分析，如圖1所示：

（三）push-over分析能力曲線

考慮到主梁橫向振動使斜拉索產(chǎn)生對索塔的水平推力而采用均布荷載模式，參照一般梁橋橋墩所采用的水平荷載模式，最終采用均布、倒三角和塔頂集中力三種水平荷載模式對主塔進行橫橋向靜力彈塑性推倒分析，考慮斜拉索對索塔的橫向約束及主梁振動對主塔影響的等效結(jié)構(gòu)。通過自振頻率與原結(jié)構(gòu)相等的原則，對索塔錨固點及索塔與主梁之間的橫向限位支座點處附加剛度和附加質(zhì)量。經(jīng)過試算南塔錨固點和索塔橫向限位支座點處把剛度增大10%，質(zhì)量增加5%。

計算獲得總水平力V和塔頂橫向位移的關(guān)系曲線，如圖2所示：

均布荷載模式下，整個結(jié)構(gòu)塑性得到充分發(fā)揮，倒塌時需要的總水平力最大，而塔頂集中力荷載模式下，主塔倒塌時的總水平力最小。塔頂集中力水平荷載模式是偏于保守的一種極限狀態(tài)。

由斜拉橋動力特性分析可以獲得斜拉橋南塔橫向振動的振型函數(shù)，將已經(jīng)獲得的push-over分析曲線轉(zhuǎn)換成A-D（Acceleration-Displacement）格式能力曲線，如圖3所示：

二、抗震性能評價

能力譜與不同的需求反應(yīng)譜相交。最終要在這些交點中，確定出一個作為相點。在一個交點處，由能力譜計算得到的延性系數(shù)應(yīng)當與需求反應(yīng)譜的延性值匹配。將A-D格式的能力譜與需求譜繪于同一個圖表中，如圖4所示，可以看出，斜拉橋在7度罕遇地震（水平地震影響系數(shù)α=0.5）和8度遇地震（水平地震影響系數(shù)α=0.9）作用下，不管采用哪種水平荷載模式，主依然處在彈性工作階段；在9度罕遇地震（水平地震影響系數(shù)α=1.4）作用時，集中荷載模式下，能力曲線與彈性需求譜曲線（μ=1）的交點坐標為（0.2231，2.0390），達到極限應(yīng)力。

三、結(jié)論

1．本文對大跨度斜拉橋的主塔進行橫橋向的push-over分析，得到塔頂橫向位移和總水平力之間的關(guān)系曲線，并轉(zhuǎn)化成能力譜。將能力譜曲線與需求譜曲線繪制在同一張圖中，對斜拉橋的抗震性能進行評價。在Ⅱ類場地7度罕遇地震作用下，左、右主塔均在彈性工作階段。在9度罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)已接近破壞。

2．靜力彈塑性（Pushover）分析比一般的非線性時程分析簡單，方便，快捷，同時也能得到較合理的數(shù)值結(jié)果。易于工程師在設(shè)計中掌握和應(yīng)用，在今后的橋梁的設(shè)計中，不失為一種簡單的抗震設(shè)計驗算方法。

參考文獻

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作者簡介：陳星燁，男，湖南長沙人，長沙理工大學工程力學教研室副教授，研究方向：橋梁結(jié)構(gòu)分析與工程控制；劉瑞山，男，湖南新化人，長沙理工大學橋梁與隧道工程專業(yè)碩士研究生，研究方向：橋梁結(jié)構(gòu)分析與工程控制。