鄭東新區(qū)龍湖區(qū)北三環(huán)跨西運(yùn)河斜拉橋抗震分析

黃　康

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶　400067)

鄭東新區(qū)龍湖區(qū)北三環(huán)跨西運(yùn)河斜拉橋抗震分析

黃康

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶400067)

摘要：鄭東新區(qū)龍湖區(qū)北三環(huán)跨西運(yùn)河橋?yàn)椴粚?duì)稱獨(dú)塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土雙邊箱斜拉橋，全長225 m(40 m+109 m+70 m)，采用塔、墩、梁固結(jié)體系。采用CSI SAP2000結(jié)構(gòu)分析軟件建立三維有限元模型對(duì)該橋進(jìn)行非線性時(shí)程分析。分析結(jié)果表明：該橋在E1地震下結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備足夠，而在E2地震下安全儲(chǔ)備小于1.0，通過變更設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行了改善。

關(guān)鍵詞：斜拉橋；抗震分析；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；非線性

近幾十年來，高烈度地震在世界范圍內(nèi)頻發(fā)，地震破壞力給人類帶來巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。中國位于環(huán)太平洋和亞歐地震帶之間，是全球大陸地區(qū)最活躍的地震區(qū)之一。 例如，2008年“5·12”汶川大地震造成了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。地震不僅對(duì)房屋具有破壞性作用，而且還會(huì)造成橋梁垮塌，嚴(yán)重影響震后的交通生命線。

李國豪、范立礎(chǔ)等[1-2]闡述了橋梁非線性地震反應(yīng)分析的有關(guān)理論，進(jìn)而提出了適用于特大橋的抗震分析方法。目前，橋梁抗震概念設(shè)計(jì)主要有減隔震設(shè)計(jì)和延性設(shè)計(jì)。我國交通部2008年頒布的JTG/T B02-01—2008《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》[3]主要借鑒了美國的AASHTO、Caltrans SDC等規(guī)范并融合了我國橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)于特殊橋梁，則要求進(jìn)行專門的抗震分析與設(shè)計(jì)。本文依據(jù)相應(yīng)的中國規(guī)范對(duì)鄭州市鄭東新區(qū)龍湖區(qū)北三環(huán)跨西運(yùn)河斜拉橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬，對(duì)其進(jìn)行非線性時(shí)程地震反應(yīng)分析。

1工程概況

鄭東新區(qū)龍湖區(qū)北三環(huán)跨西運(yùn)河斜拉橋位于鄭州市北三環(huán)快速路東延段，起點(diǎn)樁號(hào)K1+907.000，終點(diǎn)樁號(hào)為K2+132.000，全長225 m。主橋采用不對(duì)稱獨(dú)塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土雙邊箱斜拉橋，跨徑布置為40 m+109 m+70 m。該橋采用塔、墩、梁固結(jié)體系，主塔為“玉圭”造型，斜拉索呈扇形平行索面布置。A0橋臺(tái)、A3橋臺(tái)和P1輔助墩均采用拉壓型HDR高阻尼隔震橡膠支座。橋梁總體布置見圖1。

圖1　北三環(huán)跨西運(yùn)河橋梁橋型布置

主梁采用分幅設(shè)計(jì)，由引跨、主跨和邊跨3部分組成。主梁斜置，橫坡為單向1.5%。主梁全部采用C50混凝土，梁內(nèi)壓重采用30 kN/m3鐵砂混凝土。主跨采用分離式雙箱斷面，左幅、右幅主梁主跨和邊跨全寬分別為29.0、26.5 m，梁高均為等高2.5 m，主跨與引跨之間設(shè)置5.0 m長寬度過渡段。主梁一般構(gòu)造見圖2。

主塔塔柱采用C50混凝土。主塔塔柱呈曲線形，鋼筋混凝土索塔整體為空心結(jié)構(gòu)，索塔總高度為63.486 m，其中橋面以上高度為53.65 m，橋面以下高度為9.836 m。主塔基礎(chǔ)采用28根鉆孔灌注樁，7排4列矩陣型布置，樁中心間距均為4.5 m。沿樁基承臺(tái)往下10 m處，圓型樁直徑為2 m；10 m以下改為直徑1.8 m。樁基總長85 m，均采用C30混凝土。承臺(tái)為長30.2 m、寬16.7 m、高7 m的階梯式方形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，臺(tái)身采用C30混凝土。

圖2　北三環(huán)跨西運(yùn)河斜拉橋主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

斜拉索采用平行鋼絞線拉索。斜拉索采用高強(qiáng)低松弛鍍鋅Φ15.2 mm鋼絞線，抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1 860 MPa。斜拉索上端錨固于索塔上塔柱，間距1.6 m；下端錨固于主梁拉索橫梁上，間距分7.5、3.75和3.00 m三種，均在梁上張拉。每幅橋每個(gè)索面共12對(duì)永久性索。

主橋設(shè)有輔助墩P1，采用C40型混凝土。P1輔助墩含有3個(gè)直徑為2 m的圓形橋墩，墩高6.5 m，沿橫橋向中心排列，間距8 m。上系梁為高1.6 m、寬2 m、 長14 m矩形截面的鋼筋混凝土，下系梁為高2.8 m、寬2 m、長14 m矩形截面的鋼筋混凝土，材料均采用C30混凝土。

2地震記錄

JTG/T B02-01—2008第5.3.2條規(guī)定：為考慮地震動(dòng)的隨機(jī)性，設(shè)計(jì)加速度時(shí)程不得少于3組[3]。針對(duì)北三環(huán)跨西運(yùn)河大橋工程場地覆土條件，《場地安全評(píng)估報(bào)告》提供了共6組地震波數(shù)據(jù)。 該報(bào)告分別采用了3條50年超越概率10%的地震動(dòng)時(shí)程作為E1地震波，地震動(dòng)加速度峰值amax=1.723 m/s2；3條50年超越概率2.5%的地震動(dòng)時(shí)程作為E2地震波，地震動(dòng)加速度峰值amax=3.305 m/s2。分析時(shí)豎向地震波取水平地震波的65%。

3橋梁動(dòng)力特性分析

邵旭東[4]介紹了主梁模擬可采用單主梁、雙主梁或三主梁模式。本文采用CSI SAP2000 v14建立單梁模型并考慮樁土效應(yīng)[5]及橡膠支座的非線性，斜拉索均用索單元模擬，荷載組合只考慮了1.0恒載+1.0地震組合[6]。北三環(huán)跨西運(yùn)河斜拉橋簡化模型見圖3。

圖3　北三環(huán)跨西運(yùn)河斜拉橋SAP2000單梁模型

由于北三環(huán)跨西運(yùn)河斜拉橋在A0橋臺(tái)、A3橋臺(tái)和P1輔助墩沿橫橋向各設(shè)有3個(gè)支座，且采用HDR高阻尼隔震的橡膠支座，抗震分析時(shí)采用雙折線彈塑性單元。電算時(shí)，對(duì)其順橋向和橫橋向的剪切剛度定義采用雙折線彈塑性單元，見圖4。

鋼筋混凝土重度采用26.5 kN/m3,斜拉索采用78.5 kN/m3。本文抗震分析時(shí)，配筋均采用HRB400型，參數(shù)均采用強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值[7]，見表1和表2。

圖4　橡膠支座剪切剛度定義

所在部位強(qiáng)度等級(jí)抗壓強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa彈性模量/MPa主梁,索塔C5032.42.653.45×104橋墩墩柱,橋臺(tái)蓋梁C4026.82.403.25×104橋墩系梁,承臺(tái),樁基礎(chǔ)C3020.12.013.00×104

表2　鋼筋參數(shù)

根據(jù)前面建立的橋梁動(dòng)力分析模型，斜拉橋結(jié)構(gòu)的阻尼比一般取0.03。北三環(huán)跨西運(yùn)河斜拉橋在成橋狀態(tài)下前10階的自振特性計(jì)算結(jié)果見表3，前3階自振振型見圖5。

表3　北三環(huán)跨西運(yùn)河斜拉橋自振特性分析

JTG/T B02-01—2008第5.1.1條規(guī)定：一般情況下，直線橋可分別考慮順橋向X和橫橋向Y的地震作用；當(dāng)采用3組時(shí)程波計(jì)算時(shí)，應(yīng)取3組計(jì)算結(jié)果的最大值。本文采用Xtract對(duì)各驗(yàn)算截面進(jìn)行M-φ(彎矩-曲率)分析，并根據(jù)截面M-φ分析值，按等能量法[8]將所得截面分析結(jié)果轉(zhuǎn)換為理想彈塑性M-φ關(guān)系，得到截面等效的φy、φu和Mp，見圖6。

由于北三環(huán)跨西運(yùn)河斜拉橋跨度較小，故模型未考慮斜拉索的垂度效應(yīng)。通過對(duì)該斜拉橋進(jìn)行非線性時(shí)程分析，得出以下主要結(jié)論。

圖5　北三環(huán)跨西運(yùn)河斜拉橋前3階振型

圖6　等效M-φ關(guān)系

1) 在E1地震順橋向或橫橋向作用下，塔、橋墩及各樁基截面均未超過各自抗彎、抗剪強(qiáng)度值，結(jié)構(gòu)均在彈性范圍內(nèi)，且具有一定的安全值。

2) 在E1地震作用下，支座水平最大位移是9.7 cm，發(fā)生在A3橋臺(tái)處；在E2地震作用下，支座水平最大位移是25.2 cm，發(fā)生在A3橋臺(tái)處。支座位移均在容許范圍內(nèi)。

3) 在E2地震順橋向作用下，結(jié)構(gòu)承載力要求均能滿足。而在E2地震橫橋向作用下，結(jié)構(gòu)最不利位置發(fā)生在塔與梁交接處，塔最大彎矩為481 800 kN·m(安全儲(chǔ)備值為0.7)。

由于E2地震橫橋向作用致使在塔梁結(jié)合處產(chǎn)生較大彎矩，原設(shè)計(jì)截面在E2地震作用下會(huì)出現(xiàn)承載力不足現(xiàn)象。因此，為了增強(qiáng)該截面的橫向抗震性能，進(jìn)行了變更設(shè)計(jì)，將截面縱向鋼筋率提高至2.384%(變更前為1.723%)，且采用精軋螺紋鋼筋替代原有的普通鋼筋，精軋螺紋鋼參數(shù)見表4。

表4　精軋螺紋鋼參數(shù)

塔與主梁結(jié)合處截面橫橋向M-φ分析見圖7。由圖7可以看出，變更后截面橫向抗彎承載力明顯提高，E2地震橫向作用下截面安全系數(shù)由變更前的0.7提高到1.4，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7　塔與主梁結(jié)合處截面橫橋向M-φ分析

4結(jié)束語

本文對(duì)北三環(huán)跨西運(yùn)河斜拉橋進(jìn)行了抗震分析，分析結(jié)果表明，該橋固有周期較短，結(jié)構(gòu)體系較剛，而橫橋向主塔振型最先出現(xiàn)，主塔橫橋向整體剛度較弱。原設(shè)計(jì)截面的承載力在E1地震作用下是足夠的，但在E2地震作用下塔與主梁結(jié)合處截面橫橋向的抗彎承載力小于規(guī)范要求。變更設(shè)計(jì)時(shí)，提高了縱向含筋率和鋼筋等級(jí)，增強(qiáng)了該截面的抗彎承載力，使其在E1和E2地震作用下均安全。

對(duì)大跨徑不對(duì)稱獨(dú)塔斜拉橋而言，由于邊、主跨跨徑不同，邊、主跨拉索的水平分力存在差異。北三環(huán)跨西運(yùn)河斜拉橋采用塔墩梁固結(jié)體系，可以利用其體量較大的橋塔來平衡拉索水平分力差。由于該橋采用塔墩梁固結(jié)體系，其連接處剛度非常大，地震作用下產(chǎn)生的力和彎矩也非常大，所以進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別加強(qiáng)此處箍筋及主筋的設(shè)置，以滿足抗震性能要求。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]李國豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動(dòng)(修訂版)[M].北京：中國鐵道出版社，1996.

[2]范立礎(chǔ)，胡世德，葉愛君，等.大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]重慶交通科研設(shè)計(jì)院.JTG/T B02-01—2008公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則[S].北京：人民交通出版社，2008.

[4]邵旭東，程翔云，李立峰，等.橋梁設(shè)計(jì)與計(jì)算(第二版)[M].北京：人民交通出版社，2012.

[5]中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司.JTG D63—2007公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2007

[6]中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.JTG D60—2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[7]中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.JTG D62—2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[8]張樹仁，黃僑.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理(第二版)[M].北京：人民交通出版社，2010.

Seismic Analysis of Western Canal Crossing Cable-stayed Bridge on Northern Third Ring Road in Longhu District of Zhengdong New District

HUANG Kang

Abstract:The Western Canal Crossing Bridge on Northern Third Ring road in Longhu District of Zhengdong New District is an asymmetrical single-tower double cable plane prestressed concrete double side box cable-stayed bridge at total length 225m (40m+109m+70m) and adopts tower, pier and beam consolidation system. This paper establishes a 3D finite element model by means of CSI SAP2000 structure analysis software to carry out nonlinear time-procedure analysis for the bridge. The Results of analysis show that safety redundancy of structure of the bridge are enough under E1 earthquake, while are less than 1.0 under E2 earthquake, and the seismic performance of structure is improved through change of structure.

Keywords:cable-stayed bridge; seismic analysis; structural design; nonlinear

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.03.014

收稿日期：2016-01-12

作者簡介：黃康(1987-)，男，重慶市人，碩士，助工。

文章編號(hào)：1009-6477(2016)03-0058-04中圖分類號(hào)：U448.27

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A