獨塔斜拉橋組合橋塔抗震性能評估

陳冠華

(福州市規(guī)劃設(shè)計研究院集團有限公司 福州 350108)

1 工程概況

由于我國大量的橋梁修建在地震活動頻繁區(qū)域，大跨徑橋梁作為重要的生命線，其在強震作用下的破環(huán)會造成不可估量的經(jīng)濟損失和人員傷亡。因此，在設(shè)計橋梁造型的同時，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)計荷載等級為城-A級，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，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“一帆風順”寓意的風帆造型的橋塔，橋塔高度為84.41 m。從設(shè)計角度而言，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力性能，特別是地震作用下的反應特點，本文通過建立全橋動力分析模型，對比附屬塔對橋塔地震反應的影響規(guī)律，進而評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 動力分析模型的建立與地震動輸入

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種動力模型。

M1?；炷林魉?鋼混附屬塔的獨塔斜拉橋模型見圖2a)所示。

M2?；炷林魉?混凝土附屬塔的獨塔斜拉橋模型見圖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個梁單元及60個索單元組成；橋塔及主梁采用梁單元模擬，斜拉索采用只受拉索單元模擬，并考慮了索的非線性作用。為簡化分析，邊界條件取為橋塔承臺底部固結(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)予以實現(xiàn)。

圖2 動力分析數(shù)值模型

2.2 地震動輸入

橋梁所處位置抗震設(shè)防烈度為6度，場地類別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)計規(guī)范》[6]的規(guī)定，本文選取地震安評報告[7]提供的3條人工波作為輸入地震動，地震動峰值取為 0.24g。抗震分析計算方法采用時程分析方法，并且每條地震波分別沿結(jié)構(gòu)的縱向與橫向輸入。輸入地震波的時程曲線圖見圖3。

3 動力特性分析

橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性分析是抗震性能評估的基礎(chǔ)。本文對3種動力分析模型分別進行了動力特性分析，并提取各自前5階振動形態(tài)進行對比。動力特性分析結(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形態(tài)較早出現(xiàn)；其次，結(jié)構(gòu)的振動形態(tài)表現(xiàn)出了多振型耦合的特點，主梁的豎向振動與橋塔的縱向彎曲振動形式耦合效應明顯。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，但影響程度較??；而更改附屬塔部分結(jié)構(gòu)材料對整體結(jié)構(gòu)的自振特性的影響可忽略不計。因此就動力特性而言，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，并不會對結(jié)構(gòu)的振動特性產(chǎn)生影響。

4 地震反應

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

4.1 結(jié)構(gòu)位移反應

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

圖5 塔墩結(jié)構(gòu)位移反應

表2 3種模型位移反應表 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)動力特性的分析結(jié)果一致。同時，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%，可近似認為附屬塔對結(jié)構(gòu)橫向位移反應的影響不大。附屬塔的存在對橋塔縱向的位移反應略有影響，與不設(shè)置附屬塔情況相比，鋼混附屬塔塔頂?shù)奈灰品磻黾蛹s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%?；炷两M合塔在增加塔身剛度的同時，由于自身重量較大，因此造成塔頂?shù)奈灰埔蚕鄬^大。

4.2 地震內(nèi)力反應

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)力反應以橫向更為突出，在設(shè)計中應對橫向抗震設(shè)計予以足夠的重視，避免出現(xiàn)橫橋向的嚴重損傷；此外，從橋塔的內(nèi)力反應來看，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)力反應減小幅度約為14%；橫向地震反應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

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

由表3可知，對于附屬塔結(jié)構(gòu)，在相同地震動強度作用下，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，鋼混結(jié)構(gòu)附屬塔在一定程度上減輕主塔地震反應，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為背景，重點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，建筑材料的改變對結(jié)構(gòu)動力特性的影響可忽略不計，組合塔結(jié)構(gòu)的自振周期略有延長，且振動特性以橋塔的面外振動以及橋塔與主梁的耦合振動為主。

2) 就組合塔結(jié)構(gòu)的地震反應特點而言，組合塔結(jié)構(gòu)形式對縱向位移的反應有所區(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，橫向位移反應差別不大；但從內(nèi)力反應來看，鋼混組合塔除降低了自身的地震內(nèi)力相應外，同時還減小了主塔的地震內(nèi)力響應，進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，在實現(xiàn)橋梁立體景觀及便于施工的要求的同時，也在一定程度上優(yōu)化了主塔的地震反應，提升了橋塔結(jié)構(gòu)的抗震性能。