四塔大跨混凝土斜拉桥横向约束体系比选研究

周辉,雷鸣,韩剑

(广东交通实业投资有限公司,广东 广州 510623)

1 工程概况

北江特大桥采用33+147+3×360+147+33(m)的跨径布置,为四塔双索面半漂浮体系预应力钢筋混凝土梁斜拉桥,两边跨各设置一处辅助墩,塔梁连接处设竖向支承及横向抗风支座,辅助墩与过渡墩处均设置竖向支承。

主梁采用PK箱预应力混凝土梁,横隔梁与斜拉索对应布置,间距6 m,在边塔与中塔处适当加密。索塔为钻石塔,采用钢筋混凝土空心结构,桥面以上高100 m,桥面以下高40～53 m。斜拉索对称布置在索塔两侧,梁上标准索距为6 m,塔上索距为2.2～3 m;斜拉索采用平行钢丝成品斜拉索。塔上斜拉索锚固于塔内,采用钢锚梁方案,梁上斜拉索锚固于主梁端部,采用混凝土锚块方案。

2 抗震设防标准和地震动参数

2.1 设防标准

根据《公路桥梁抗震设计规范》(JTG/T 2231-01—2020)[1],北江特大桥采用两阶段设计、两水准设防,其中E1地震50年超越概率为10%,加速度峰值根据规范确定,PGA=0.08g;E2地震50年超越概率为2.5%,PGA=0.12g。

2.2 地震动参数

50年超越概率水平为10%、2.5%的地表水平向设计地震动加速度反应谱采用下式确定:

不同概率水平的设计地震动峰值加速度和反应谱参数值如表1所示。

表1 不同概率水平的设计地震动峰值加速度和反应谱参数值

对场地50年超越概率水平为10%、2.5%,分别提供随机相位的地表水平向设计地震动加速度的时程样本,作为结构动力反应分析计算的地震输入时程,如图1所示。在设计地震动加速度时程数据文件中,时程点的时间间隔为0.02 s,时程点总数为2048,加速度单位是cm/s2,竖向加速度时程取为水平加速度时程各相应加速度值0.6倍。

图1 E2地震作用下水平加速度时程

3 结构有限元建模及动力特性分析

3.1 有限元模型的建立

采用Midas 2020有限元程序,建立了北江特大桥的动力计算模型,模型中以顺桥向为X轴,横桥向为Y轴,竖向为Z轴。主塔、主梁、桥墩、承台和桩基都采用梁单元模拟,其中主梁通过主从约束同斜拉索形成“鱼骨梁”模型;斜拉索采用空间桁架单元,过渡墩和塔梁连接处设置横向约束支座,考虑土-结构相互作用和相邻联的相互影响,采用“m”法模拟桩基土弹簧[2-4]。北江特大桥动力计算图见图2,桥墩、桥塔与梁的连接情况见图3。

图2 结构计算模型

图3 结构约束体系布置图

3.2 北江特大桥动力特性

根据建立的动力计算模型,进行了结构动力特性分析。表2列出了北江特大桥前10阶振型的频率和振型特征。取前300阶振型,各方向的质量参与比见表2,满足规范要求。

表2 北江特大桥自振周期及有效质量参与比

由以上图表可以看出,北江特大桥的动力特性有以下特点:①主桥前10阶周期为6.04～1.886 s,第1阶振型以全桥纵漂为主模态,表明该桥纵桥向刚度较横桥向弱。②主桥振型密集,桥梁第一阶频率为0.166 Hz,至第10阶振型为0.530 Hz,在这个不宽的频带上集中了多阶频率,许多振型都可能被激起。③通过振型质量参与系数表可知,第1阶振型对桥墩纵向地震反应贡献较大,第1阶振型纵向参与质量为33%;第5阶振型对桥墩横向地震反应贡献较大,第5阶振型横向参与质量为22%;竖向累计振型贡献率收敛较慢,前10阶累计参与质量不足10%。

4 横向约束体系比选

本文主要针对北江特大桥的横向约束体系开展研究,纵向约束体系采用纵漂体系[5-6]。本次计算采用非线性时程分析方法,选用E2地震作用(50年超越概率2.5%)下地震加速度时程波进行分析。地震动输入方向为横向+竖向。

进行横向约束体系比选时,主要考虑下面三种横向约束体系[7-8]对结构的影响。体系1:横向弹塑性约束体系,在每个索塔设置两个横向弹塑性支座,屈服力为2500 kN。体系2:横向抗风支座约束体系,在每个索塔设置两个横向抗风支座。体系3:横向阻尼约束体系,在每个索塔设置两个横向阻尼器,阻尼系数为4000 kN/(m/s)α,速度指数为0.2。

4.1 横向弹塑性约束体系

横向弹塑性约束体系是指在辅助墩和过渡墩位置分别设置两个支座,在每个索塔位置设置两个竖向支座,支座的横桥向采用弹塑性约束,屈服力为2500 kN。表3给出了在E2纵向激励和横向激励下索塔的地震反应。

横向设置弹塑性约束体系,索塔底的弯矩会比较小,四个塔的墩底弯矩相差不大,但塔梁之间的相对位移较大,容易发生塔梁之间的碰撞。

4.2 抗风支座约束体系

抗风支座约束体系是指在辅助墩和过渡墩位置分别设置两个竖向支座,在每个索塔位置设置两个支座,然后在每个索塔设置两个横向抗风支座,规格为SX-KFQZ15000。表4给出了在E2纵向激励和横向激励下索塔的地震反应。

表4 横向抗风支座约束体系下索塔地震反应

横向设置抗风支座,有效限制了塔梁的相对位移,但塔底在横向地震激励下的弯矩较大,需要验算塔底的弯矩是否满足要求。

4.3 横向阻尼约束体系

横向阻尼约束体系是指在辅助墩和过渡墩位置分别设置两个竖向支座,在每个索塔位置设置两个支座,然后在每个索塔设置2个横向阻尼器,阻尼系数为1500 kN/(m/s)α,速度指数为0.2。表5给出了在E2纵向激励和横向激励下索塔的地震反应。

表5 横向阻尼约束体系下索塔地震反应

表6 E2-墩底内力验算-横向

在横桥向设置阻尼器,相对弹塑性约束体系而言减少了塔梁之间的相对位移,而墩底的弯矩也小于抗风支座约束体系,考虑阻尼器支座的造价过高,维护较复杂,不推荐采用阻尼器约束体系。

5 截面验算

依据《公路桥梁抗震设计规范》性能要求与抗震验算中采用的抗震验算方法,首先将桥墩截面划分为纤维单元(见图4a),采用规范给出的钢筋和混凝土应力-应变关系分别模拟钢筋和混凝土单元,然后采用数值积分法进行截面弯矩-曲率分析,得到图4b所示的截面弯矩-曲率曲线。图中My为截面最外层钢筋首次屈服对应的初始屈服弯矩;Meq为根据M-φ曲线利用“等能量法”求得的截面等效抗弯屈服弯矩。

(a)截面纤维单元划分图

依据北江特大桥主桥在地震荷载作用下的受力特性,选取受力最不利截面作为关键截面。利用XTRACT软件进行截面M-φ关系数值分析,在对截面进行划分时纤维单元材料特性包括核心混凝土,保护层混凝土以及钢筋特性。钢纤维的本构模型采用双折线型的随动硬化曲线,约束混凝土的本构关系采用Mander关系曲线,如图5所示。

(a)钢筋应力-应变关系曲线

对结构抗震性能验算后可知,E1地震作用下,关键截面地震弯矩均小于其初始屈服弯矩,截面保持弹性,满足抗震性能要求;E2地震作用下,关键截面地震弯矩均小于其等效屈服弯矩,截面基本保持弹性,满足抗震性能要求,根据验算结果综合比选,横桥向采用抗风支座约束体系较为适宜。

6 小结

通过建立北江特大桥的动力计算模型,纵向约束体系采用纵漂体系,横向分别采用弹塑性约束体系、抗风支座约束体系、阻尼约束体系三种约束形,通过比选研究,得出以下结论:

(1)采用横向弹塑性约束体系,3～6#主塔支座横桥向位移为0.03～0.07 m;采用横向抗风支座约束体系,3～6#主塔支座横桥向位移为0.006～0.008 m;采用横向阻尼约束体系,3～6#主塔支座横桥向位移为0.02～0.03 m;采用横向抗风支座体系有效的限制了塔梁的相对位移。

(2)在E2地震作用下,墩底受力最不利截面在地震作用下的截面弯矩小于截面等效抗弯屈服弯矩Meq。从理想弹塑性双线性模型看,在地震反应小于等效抗弯屈服弯矩Meq时,结构整体反应还在弹性范围内。