大跨度高低塔斜拉橋時程地震響應(yīng)分析

吳 卓

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

1 工程概況

瀘州市榕山長江大橋位于四川省瀘州市合江縣榕山鎮(zhèn)城區(qū)，橫跨長江，主橋橋?qū)?4.5 m，引橋橋?qū)?8.5 m，均按公路一級荷載設(shè)計(jì)，屬特大橋。橋梁主橋孔跨布置為(200+530+245+80)m雙塔(高低塔)混凝土斜拉橋；引橋孔跨布置為12 m×25 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支小箱梁，全橋長1 371 m。瀘州榕山長江大橋工程擬采用一級公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。榕山長江大橋部分結(jié)構(gòu)從左往右依次為左岸橋臺，低塔，高塔，輔助墩，交界墩，其中輔助墩有左肢和右肢共兩肢，交界墩有左肢、中肢和右肢共三肢。

2 有限元模型與動力特性

2.1 有限元模型的建立

采用有限元分析軟件Midas/civil建立包括主橋(橋塔、斜拉索、主梁、橋墩、橋面板和樁基)和引橋一體的三維有限元模型。其中主橋橋塔、主梁、樁基、橋墩采用空間梁單元來進(jìn)行模擬，橋面板由板單元模擬，斜拉索由空間桁架單元來進(jìn)行模擬。對于斜拉索與橋塔、斜拉索與主梁的連接，通過共用同一個結(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)；橋塔與主梁、輔助墩與主梁和交界墩與主梁通過設(shè)置彈性連接來模擬盆式橡膠支座連接；對于主塔、輔助墩和交界墩下群樁和土體之間的樁—土相互作用的模擬，采用集中質(zhì)量法將樁—土離散為質(zhì)量—彈簧—阻尼系統(tǒng)，其中等代土彈簧單元的剛度采用“m”法確定。

2.2 動力特性分析計(jì)算

結(jié)構(gòu)的動力特性(周期和振型)是結(jié)構(gòu)本身固有的屬性，只與結(jié)構(gòu)本身有關(guān)(如質(zhì)量、剛度和約束方式等)，需要注意在有限元模型分析處理時要用到荷載轉(zhuǎn)化為質(zhì)量功能將附加的構(gòu)件荷載轉(zhuǎn)化為質(zhì)量以進(jìn)行分析。本文運(yùn)用Lanczos法計(jì)算橋梁的前400階模態(tài)，得到順橋向(DX)累計(jì)振型參與質(zhì)量97.50%，橫橋向(DY)累計(jì)振型參與質(zhì)量96.37%，豎向(DZ)累計(jì)振型參與質(zhì)量90.30%。本文只給出模型的前十階模態(tài)及其描述(表1)和前三階模態(tài)圖(圖1～圖2)。

表1 橋梁動力特性表

圖1 第一階振型(周期11.269 9 s)

圖2 第二階振型(周期5.076 2 s)

由計(jì)算結(jié)果可以看出：

(1)該斜拉橋的一階振型為主梁縱飄，一階自振周期為11.269 9 s，遠(yuǎn)高于二階振型主梁橫向振動(自振周期5.076 2 s)，說明榕山長江大橋縱向約束較為薄弱，地震發(fā)生時容易產(chǎn)生破壞，應(yīng)予以適當(dāng)加強(qiáng)；

(2)該斜拉橋的五階振型出現(xiàn)了主塔側(cè)彎，主塔的抗彎剛度在地震中起到重要作用，在進(jìn)行抗震分析時應(yīng)注意限制主塔的側(cè)向位移；

(3)該斜拉橋的九階振型出現(xiàn)了主梁的扭轉(zhuǎn)振動，說明該斜拉橋的主梁抗扭能力相對較大。

3 時程地震響應(yīng)分析

3.1 選取地震波

采用地震波生成軟件SeismoArtif生成7條地震波，由《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG-TB02-01-2008)規(guī)定，選用擬合的7條地震波內(nèi)的3條相對較好的地震波，抗震分析時取三者最大值，規(guī)范生成的反應(yīng)譜與選用的地震波對比見圖3，由此可知選用的三條地震波效果較好，三條人工波如圖4～圖6所示。

圖3 規(guī)范反應(yīng)譜與人工波對比

圖4 人工地震波1

圖6 人工地震波3

3.2 分析工況

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》，在進(jìn)行橋梁抗震分析時，需要考慮水平地震作用(包括橫橋向地震作用和順橋向地震作用)和豎向地震作用的共同響應(yīng)，同時細(xì)則指出，計(jì)算時豎向地震時程可取水平地震時程的2/3，本文在運(yùn)用Midas/civil計(jì)算地震作用時豎向地震時程的取值方式為水平地震時程乘以0.667。

《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG-TB02-01-2008)第6.5.2條規(guī)定，時程分析的最終結(jié)果，當(dāng)采用3條地震波計(jì)算時，取3條地震波計(jì)算結(jié)果的最大值作為最終結(jié)果，固最終工況如表2所示。

表2 地震時程工況表

3.3 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

按照設(shè)定工況進(jìn)行計(jì)算并進(jìn)行組合，最終得到工況7和工況8的結(jié)果，其中工況7(縱橋向地震作用+豎向地震作用)部分控制截面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見表3， 工況8(橫橋向地震作用+豎向地震作用)部分控制截面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見表4。表3和表4中最后一列為相應(yīng)控制截面按照規(guī)范規(guī)定最小配筋率配筋后的截面承載能力限值。

表3 工況7(縱橋向地震作用+豎向地震作用)

表4 工況8(橫橋向地震作用+豎向地震作用)

從表3和表4可以看出：

(1)該斜拉橋在橫橋向地震作用+豎向地震作用下截面內(nèi)力高于其在順橋向地震作用+豎向地震作用下截面內(nèi)力，說明該斜拉橋橫向剛度比豎向剛度薄弱，地震發(fā)生時會優(yōu)先發(fā)生橫向破壞，應(yīng)加強(qiáng)橫向聯(lián)系增大其橫向剛度；

(2)該斜拉橋各控制截面在規(guī)范最小配筋率下其抗彎彎矩遠(yuǎn)大于相應(yīng)截面在地震作用時產(chǎn)生的彎矩，說明該斜拉橋抗震能力較好。

3.4 支座驗(yàn)算

《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG-TB02-01-2008)第6.3.7條規(guī)定，抗震分析時應(yīng)考慮支座的影響，各支座在橫向地震作用+縱向地震作用下的橫向剪力如表5所示，其中表5中的最后一列為盆式橡膠支座剪力承載力極限值。

表5 橫向+豎向地震作用下各支座橫向剪力

從表5可以看出，左岸橋臺處支座橫向抗剪能力存在不足情況，建議在橋臺、主梁和橋墩及塔梁之間設(shè)置橫向限位裝置，并在橫向限位裝置與主梁的橫向自由間隙中填充緩沖材料，減小沖擊碰撞作用。

4 結(jié) 論

(1)斜拉橋橫向剛度比豎向剛度薄弱，地震發(fā)生時會優(yōu)先發(fā)生橫向破壞，應(yīng)加強(qiáng)橫向聯(lián)系增大其橫向剛度；

(2)斜拉橋各控制截面在規(guī)范最小配筋率下其抗彎彎矩遠(yuǎn)大于相應(yīng)截面在地震作用時產(chǎn)生的彎矩，說明該斜拉橋抗震能力較好；

(3)橋臺處支座橫向抗剪能力存在不足情況，建議在橋臺、主梁和橋墩及塔梁之間設(shè)置橫向限位裝置，并在橫向限位裝置與主梁的橫向自由間隙中填充緩沖材料，減小沖擊碰撞作用。