独塔斜拉桥抗震分析

王 思 维

(沈阳建筑大学，辽宁 沈阳 110168)

近年来我国桥梁建设突飞猛进，如今工程中越来越多采用大跨度，新型结构桥梁。桥梁作为一种永久性工程，工程中对其耐久性，可靠性提出了更高要求。近些年我国地震频发，特别在汶川大地震之后，当地的桥梁受到了很大程度破坏[1]，目前我国在桥梁抗震领域还存在一定空白。桥梁在地震荷载作用下很容易产生损伤，影响其正常使用，带来不必要的经济损失。特别对于独塔斜拉桥结构，其结构形式复杂，地震作用下，成桥阶段受力形式多样。作为工程设计人员，要保证规划设计的桥梁在设计年限内正常使用，准确分析桥梁的受力特性，理解其在荷载作用下的受力原理，才能减少地震荷载对主塔的破坏，才可以保证特殊结构桥梁震后的良好工作性能，为今后类似工程的设计提供理论依据，因此对独塔斜拉桥重点工程的深入研究尤为重要[2]。

1 工程概况

文昌西路桥采用独塔斜拉桥的结构形式，结构设计新颖，属于引江济淮工程的重点工程，桥位处于安徽省庐江县庐城镇，主塔采用H形造型，主塔材料采用钢筋混凝土结构，主塔净间距24 m，塔高80 m,主跨拉索间距10.5 m，边跨拉索间距7 m，共24对48根，斜拉索采用镀锌平行钢丝成品斜拉索。主塔基础采用钻孔桩群桩基础；根据GB 18306—2015中国地震动峰值加速度区划图，安徽省庐江县庐城镇Ⅱ类场地条件下，对应地震烈度为7度。

2 结构动力特性计算

2.1 计算模型图

根据桥梁设计采用的材料，建立Midas计算模型。成桥状态计算图如图1所示。

2.2 主塔结构动力特点

对于全桥有限元模型振型相关参数见表1。

表1 成桥时结构动力特点

3 结构抗震分析

3.1 反应谱的选取

对于反应谱的选取，首先要根据规范要求，其次要考虑工程场地的因素。反应谱的选取为：

Sa(T)=Amaxβ(T)。

其中，Amax[3]为设计地震动峰值加速度;β(T)[4]为设计地震动加速度放大系数反应谱，按CJJ 166—2011城市桥梁抗震设计规范，由下式[5]确定：

其中，T为结构自振周期，T取0.1 s;βmax为反应谱最大值;Tg为特征周期；γ为反应谱下降段的衰减指数；η1,η2分别为结构阻尼调整系数。

在E1地震作用时，水平向地震动峰值加速度50年发生的超过概率10%取为0.1g。 在E2地震作用时，水平向地震动峰值加速度50年发生的超过概率10%取为0.22g。对E1，E2地震作用的两种工况，竖向地震动峰值加速度取为水平向地震动峰值加速度的2/3，即E1地震作用竖向加速度取0.067g，E2地震作用竖向加速度取0.15g。

3.2 反应谱分析

本桥结构主塔在E1和E2地震作用下的反应谱计算结果变化趋势见图2～图7。

由图2，图3之间的对比可知，E2地震作用的最大弯矩明显大于E1地震作用的弯矩，由两幅图之间的峰值比较可知，纵向+竖向反应是影响结构主要组合，由图4，图5 比较可知，E2地震作用下，纵向+竖向反应对主塔结构的影响较大，设计可以作为最不利荷载组合来考虑，由图6，图7可知，E2作用下横向+竖向组合对主塔结构轴力影响较大。

对主塔结构的位移在E2地震作用下进行计算，结果如表2所示。

表2 E2地震作用下主梁的地震位移响应

根据表2计算结果，横向+竖向反应的塔顶位移大于纵向+竖向反应的塔顶位移，计算位移需将横向+竖向反应作为最不利组合考虑。

3.3 时程分析参数

E1，E2水准下的地震波时程曲线见图8，图9。

4 结构抗震验算

根据CJJ 166—2011城市桥梁抗震设计规范的抗震验算方法， 3.2节反应谱分析计算结果，以及钢筋混凝土结构截面的配筋，对主塔的控制截面进行抗震性能验算,如图10所示。

采用纤维单元，对各控制截面进行划分，计算了各控制截面的初始屈服弯矩和等效屈服弯矩。

E1地震作用下，主塔材料满足应力—曲线的关系，钢筋未达到屈服状态，可以正常发挥其性能，主塔在地震作用产生的最大弯矩也小于初始屈服弯矩；E2地震作用下，主塔局部会产生裂缝，不影响其使用，同时主塔的位移也满足规范要求，主塔地震反应产生的弯矩小于等效屈服弯矩。

其中，K为结构稳定安全系数；Pcr为结构的极限承载力；PT为结构恒载与活载之和。

由表3可以看出，本桥成桥状态下的稳定安全系数达到42.2，远远大于《城市桥梁抗震设计规范》中的稳定安全系数4，满足有关规范的要求，结构静力稳定性满足要求。

表3 成桥状态结构稳定性计算结果

5 结语

1)与E2地震作用相比，E1地震作用下，主塔的弯矩、剪力、轴力均较小，因此在工程抗震设计中可将E2地震作用作为最不利的影响因素。

2)纵向+竖向地震作用在塔柱行车道位置产生的弯矩出现峰值，在工程设计中该位置一定范围内要适当加固补强。

3)在地震作用下，塔柱中点位置以下的剪力远远大于塔柱两端位置处的剪力，在主塔设计时可采用对塔柱中下方位置箍筋加密的方法提高塔柱的抗剪性能。

4)在E1，E2地震作用下，轴力沿着主塔分布变化的趋势大致相同，出现峰值的位置也基本一致。横向荷载作用下产生的轴力峰值大于纵向荷载作用产生的峰值，抗震设计中，需将横向+竖向地震作用作为最不利荷载考虑。

5)本桥成桥状态下的稳定安全系数均大于4，满足《城市桥梁抗震设计规范》的要求，结构静力稳定性满足要求。