陳 啟

（西安市浐灞河發(fā)展有限公司，陜西 西安 710024）

斜拉橋因跨越能力較強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)秀、施工較為方便等特點(diǎn)，在大跨徑橋梁的設(shè)計(jì)中被廣泛采用[1]，其中獨(dú)塔斜拉橋因美觀的造型、較為輕盈的梁體，更受青睞。為體現(xiàn)美感或滿足河道通航要求，獨(dú)塔斜拉橋常采用不等跨布置，其結(jié)構(gòu)體系不僅受靜力影響，很大程度上還受制于抗震動(dòng)力性能[2]。近年來(lái)，隨著抗震設(shè)計(jì)的完善，人們對(duì)獨(dú)塔斜拉橋的抗震性能有了進(jìn)一步的重視，其抗震分析與合理的結(jié)構(gòu)形式選定也受到了越來(lái)越多的關(guān)注。

一般而言，剛構(gòu)體系是獨(dú)塔斜拉橋較為適宜的結(jié)構(gòu)體系；但在地震高烈度區(qū)，若體系剛度過(guò)大、自振周期較小，會(huì)導(dǎo)致地震反應(yīng)過(guò)于強(qiáng)烈，橋塔底部受到較大地震內(nèi)力的作用[3]。因此，尋找合適的結(jié)構(gòu)體系，使獨(dú)塔斜拉橋在滿足施工方案、景觀要求以及正常使用狀態(tài)結(jié)構(gòu)受力的同時(shí)，還能更好地適應(yīng)地震作用、提升結(jié)構(gòu)抗震性能，就顯得十分必要。本文以某不對(duì)稱獨(dú)塔斜拉橋?yàn)槔?，?duì)其抗震動(dòng)力性能進(jìn)行分析，尋求合理的結(jié)構(gòu)體系。

1 工程概況

某雙柱雙索面獨(dú)塔雙跨式斜拉橋跨徑為110 m+85 m；梁上塔柱高63.9 m，方向豎直向上；大跨側(cè)采用鋼混組合截面，小跨側(cè)為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)；組合結(jié)構(gòu)梁高為2.5 m，預(yù)應(yīng)力混凝土側(cè)梁高由2.5 m逐漸過(guò)渡到2.2 m。見(jiàn)圖1。

圖1 橋型立面布置

橋塔為矩形截面；組合截面梁為雙主梁截面形式，通過(guò)鋼橫梁連接；預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁側(cè)為單箱多室截面；組合梁跨拉索間距9 m左右，預(yù)應(yīng)力混凝土主梁側(cè)拉索間距6.5 m左右。見(jiàn)圖2。

圖2 橋型橫斷面布置

橋位處場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度為0.2g，地震基本烈度為Ⅷ度，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，特征周期為0.4 s；抗震設(shè)防類別為B類，抗震措施等級(jí)為四級(jí)，抗震設(shè)計(jì)方法為1類。

通過(guò)成橋狀態(tài)靜力分析，考慮支座噸位、主梁順橋向穩(wěn)定性，橋梁體系初步確定為半漂浮體系和剛構(gòu)體系。半漂浮體系為塔墩固結(jié)，塔梁間設(shè)置固定支座[4]。由于場(chǎng)地地震基本烈度較高，橋梁體系受制于抗震性能；因此，有必要對(duì)兩種體系的抗震性能進(jìn)行分析比較。

2 橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型建立及模態(tài)分析

2.1 模型建立

結(jié)構(gòu)質(zhì)量、阻尼、剛度及邊界條件的簡(jiǎn)化與選取直接影響抗震時(shí)程分析的精度，是抗震時(shí)程分析的關(guān)鍵[5]。

該橋由鋼筋混凝土主塔、預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁、鋼混結(jié)合梁和斜拉索組成，材料包括C50混凝土、Q345鋼材和平行鋼絲束。采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行抗震時(shí)程分析，縱梁、橫梁、橋塔、橋墩采用Beam188單元模擬，拉索采用Link8單元模擬，拉索與橋塔及主梁間的連接、橋墩與承臺(tái)間的連接剛臂均用MPC184單元模擬，橋面二期鋪裝、護(hù)欄及錨箱采用Mass21單元模擬，支座采用主從約束進(jìn)行模擬，樁基剛度采用Matrix27單元模擬。截面分為組合截面和普通截面兩種，均由CAD導(dǎo)入形成，拉索采用實(shí)常數(shù)定義截面特性。見(jiàn)圖3。

圖3 計(jì)算模型

靜力狀態(tài)下，半漂浮結(jié)構(gòu)體系與剛構(gòu)體系反力基本一致。見(jiàn)表1。

表1 靜力狀態(tài)下恒載反力

對(duì)于動(dòng)力狀態(tài)，本次以E2地震下的地震波來(lái)進(jìn)行分析比較，采用當(dāng)?shù)貢r(shí)程波，通過(guò)加速度方式輸入，包括順橋向、橫橋向和豎向3個(gè)方向的地震作用。

2.2 模態(tài)分析

采用模態(tài)分析來(lái)初步判斷兩種結(jié)構(gòu)體的振動(dòng)型式并得到各階模態(tài)的頻率。半漂浮結(jié)構(gòu)體系一階模態(tài)下主塔對(duì)稱側(cè)彎，頻率為0.557 Hz；二階模態(tài)下主塔反對(duì)稱側(cè)彎，頻率為0.558 Hz；三階模態(tài)下主梁豎彎，頻率為0.704 Hz；四階模態(tài)下主梁扭轉(zhuǎn)，頻率為1.143 Hz；五階模態(tài)下主梁豎彎，頻率為1.173 Hz。剛構(gòu)體系一階模態(tài)下主塔反對(duì)稱側(cè)彎，頻率為0.558 Hz；二階模態(tài)下主塔對(duì)稱側(cè)彎，頻率為0.563 Hz；三階模態(tài)下主梁豎彎，頻率為0.785 Hz；四階模態(tài)下主梁扭轉(zhuǎn)，頻率為1.158 Hz；五階模態(tài)下主梁豎彎，頻率為1.241 Hz。見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 半漂浮結(jié)構(gòu)體系

圖5 剛構(gòu)體系

兩種結(jié)構(gòu)體系除一階、二階呈相反模態(tài)外，其余三階模態(tài)均相近且剛構(gòu)體系的頻率比半漂浮結(jié)構(gòu)體系略高。

選取主塔側(cè)彎及主梁豎彎兩個(gè)模態(tài)振型，計(jì)算瑞利阻尼參數(shù)

式中：ε為阻尼比，按0.03取值；ω1與ω2為對(duì)應(yīng)模態(tài)振型的頻率；α與β為瑞利阻尼參數(shù)。

兩種結(jié)構(gòu)體系的瑞利阻尼參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 瑞利阻尼參數(shù)

由表2可知，半漂浮結(jié)構(gòu)體系與剛構(gòu)體系的瑞利阻尼系數(shù)相差不大，其中參數(shù)α相差約0.4%、參數(shù)β相差約2.8%。

3 抗震時(shí)程分析

選取3組當(dāng)?shù)貙?shí)測(cè)地震時(shí)程波，每組均包含順橋向、橫橋向和豎向3條波，每條地震波時(shí)長(zhǎng)10 s，間隔為0.01 s，共1 000個(gè)加速度時(shí)程數(shù)據(jù)，不考慮阻尼器的作用。采用完全法的直接積分方法，積分?jǐn)?shù)值計(jì)算方法采用Newmark算法，取γ=0.005并將計(jì)算的3組地震響應(yīng)取包絡(luò)值。見(jiàn)圖6-圖8。

圖7 主梁豎向地震彎矩

圖8 主塔根部順橋向地震彎矩

由圖6-圖8可知：剛構(gòu)體系相較于半漂浮結(jié)構(gòu)體系塔頂順橋向位移大21.4%；兩種結(jié)構(gòu)體系的主梁最大豎向地震彎矩均出現(xiàn)在塔梁連接處，但剛構(gòu)體系相較于半漂浮結(jié)構(gòu)體系主梁根部豎向地震彎矩大42.9%，從主梁受力來(lái)看，半漂浮結(jié)構(gòu)體系的抗震性能優(yōu)于剛構(gòu)體系；兩種結(jié)構(gòu)體系的主塔順橋向最大彎矩均出現(xiàn)在塔根，剛構(gòu)體系相較于半漂浮結(jié)構(gòu)體系主塔根部順橋向地震彎矩大10.7%，從主塔受力來(lái)看，半漂浮結(jié)構(gòu)體系抗震性能優(yōu)于剛構(gòu)體系。

兩個(gè)方案的驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 兩種結(jié)構(gòu)體系驗(yàn)算結(jié)果

由表3可知，兩種結(jié)構(gòu)體系的塔頂橫橋向位移、主梁橫向剪力、主梁橫向彎矩、邊墩支座橫橋向水平剪力差異并不顯著；半漂浮結(jié)構(gòu)體系的塔頂順橋向位移、主梁豎向剪力、主梁豎向彎矩、主塔順（橫）橋向剪力、主塔順（橫）向彎矩等均大幅低于剛構(gòu)體系。綜上所述，半漂浮結(jié)構(gòu)體系抗震性能優(yōu)于剛構(gòu)體系；但半漂浮結(jié)構(gòu)體系的中墩固定支座會(huì)承受較大的水平剪力。

4 結(jié)論

1）半漂浮結(jié)構(gòu)體系與剛構(gòu)體系除前兩階振型呈相反趨勢(shì)外，其余各階振型均比較接近且剛構(gòu)體系的自振頻率略高于半漂浮結(jié)構(gòu)體系。

2）半漂浮結(jié)構(gòu)體系與剛構(gòu)體系的塔頂橫橋向位移、主梁橫橋向剪力、主梁橫橋向彎矩、邊墩支座橫橋向水平剪力差異均不顯著，但半漂浮結(jié)構(gòu)體系其余各地震內(nèi)力、位移均大幅度低于剛構(gòu)體系，其抗震性能優(yōu)于剛構(gòu)體系。因此，對(duì)于在地震高度烈度區(qū)設(shè)置的獨(dú)塔斜拉橋，半漂浮結(jié)構(gòu)體系是相對(duì)理想的結(jié)構(gòu)體系。

3）雖然半漂浮結(jié)構(gòu)體系的大部分內(nèi)力、位移均優(yōu)于剛構(gòu)體系，但其中墩固定支座的水平剪力偏大，在實(shí)際工程中需著重對(duì)該支座進(jìn)行合理選型設(shè)計(jì)或增設(shè)阻尼器等，以有效降低水平剪力。