混凝土折线塔斜拉桥抗震性能分析

摘要本文以工程实例为背景，对同等跨径下的混凝土直塔斜拉桥和混凝土折线塔斜拉桥在支承体系和不对称体系下的动力特性分别进行了分析比较，并对二者的地震响应进行了反应谱法分析和时程分析研究，从而得出混凝土折线塔斜拉桥在不对称体系下的抗震性能特点。

关键词 斜拉桥；折线塔；抗震性能

中图分类号：TU352.1+1 文献标识码：A

1前言

本文的工程背景为沈阳市一座实际的混凝土折线塔斜拉桥。目前尽管对直塔斜拉桥的抗震性能有了比较全面地了解，但对混凝土折线塔斜拉桥的抗震性能研究却甚少，因此其与直塔斜拉桥的抗震性能有何区别也无从了解，故笔者对背景工程进行抗震性能研究。另外，由于该桥采用了一端塔墩梁固结，另一端塔梁固结、墩梁分离的不对称结构体系，所以对这一特殊结构的折线塔斜拉桥的抗震性能研究十分必要。

由于沈阳市地处严寒地带，昼夜温差很大，如采用刚构体系，温度引起的效应使墩底产生巨大的内力，且抗震性能不好。如采用支承体系，则两个主塔下均需设置吨位很大的支座。而采用上述不对称结构体系，则可通过滑动铰支座的纵向滑动，释放温度在墩底产生的巨大内力。另外不对称结构体系的塔墩梁固结端可以有效的控制结构的整移。不对称结构体系虽然在地震荷载作用下两个墩底受力会不平衡，但通过抗震计算，地震荷载不控制设计，因此该桥采用了不对称结构体系。在此笔者将对同等跨径下的混凝土直塔斜拉桥和混凝土折线塔斜拉桥在支承体系和不对称体系下的抗震性能进行分析比较，以期得到混凝土折线塔斜拉桥在不对称体系下的抗震性能特点，同时，也可为今后相似工程的抗震设计提供参考。

2工程背景

本文工程背景为一座三跨（89m+242m+89m=420m）混凝土折线塔斜拉桥（见图1），该桥桥面全宽32.5m，跨越河流。该桥混凝土折线塔高65.5m，采用50#混凝土空心截面。索塔与主梁通过15对斜拉索连接。该桥采用了一端塔墩梁固结，另一端塔梁固结、墩梁分离的不对称结构体系。

图1桥梁立面图

3动力特性分析

桥梁结构的模态分析是桥梁结构地震响应分析的基础，桥梁结构的模态分析主要包括自振频率的计算和主阵型的分析。本文对不对称结构体系的两种约束条件进行结构动力特性分析，即：结构体系①：左端塔墩梁固结，右端塔梁固结设单向滑动铰支座。结构体系②：左端塔梁固结设固定铰支座，右端塔梁固结设单向滑动铰支座。另外，富民桥桥塔为折线形，为了了解折线塔斜拉桥在动力特性方面与直塔斜拉桥的区别，本文综合对比分析了两种塔型在上述不同约束条件下的动力特性。

（1）空间模型建立

本文用MIDAS有限元软件建立富民桥空间模型。为了比较两种塔型在两种约束条件下的动力特性的差别，分别建立对应的计算模型。主梁、塔、墩均采用梁单元模拟，拉索采用只受拉桁架单元。边跨的盆式支座和塔下的球型钢支座分别通过赋予弹性连接支座的抗推刚度来模拟。

（2）结果分析

本文采用多重Ritz向量法计算结构的自振频率和相应的振型，综合对比分析了折线塔和直塔两种塔型在上述两种不同约束条件下的动力特性，结果见表1。结构体系①：左端塔墩梁固结，右端塔梁固结设单向滑动铰支座。结构体系②：左端塔梁固结设固定铰支座，右端塔梁固结设单向滑动铰支座。

表1前10阶自振频率和振型

阶次 结构体系1 结构体系2

折线塔 直塔 振型 折线塔 直塔 振型

频率(Hz) 周期(s) 频率(Hz) 周期(s) 频率(Hz) 周期(s) 频率(Hz) 周期(s)

1 0.12 8.5 0.12 8.41 塔侧弯(滑动支座端) 0.04 24.6 0.04 24.6 双塔同向侧弯

2 0.43 2.3 0.43 2.32 主梁正对称竖弯 0.16 6.33 0.16 6.33 双塔反向侧弯

3 0.49 2.06 0.50 1.99 塔侧弯(固结端) 0.41 2.44 0.40 2.44 主梁正对称竖弯

4 0.67 1.47 0.69 1.44 主梁反对称竖弯 0.61 1.63 0.62 1.63 主梁反对称竖弯

5 0.76 1.32 0.75 1.33 主梁对称横弯 0.69 1.46 0.68 1.46 主梁对称横弯

6 0.97 1.04 0.97 1.03 主梁反对称横弯 0.9 1.1 0.9 1.1 主梁反对称横弯

7 1.02 0.98 1.03 0.97 主梁二阶对称竖弯+纵漂 0.96 1.05 0.98 1.05 主梁二阶对称竖弯+纵漂

8 1.08 0.93 1.08 0.92 主梁二阶对称横弯 1.01 0.99 1.02 0.99 主梁二阶对称横弯

9 1.29 0.77 1.12 0.89 主梁二阶对称竖弯+纵漂 1.07 0.93 1.09 0.93 主梁二阶对称竖弯+纵漂

10 1.36 0.76 1.26 0.79 主梁高阶对称竖弯 1.19 0.84 1.17 0.84 主梁高阶对称竖弯

从动力特性计算结果可知：(1) 折线塔和直塔在两种结构体系下，自振频率和模态基本吻合，说明塔型的改变对斜拉桥整体的刚度和质量影响不大；(2) 折线塔在结构体系1情况下的主梁正对称竖弯发生在第二阶振型，频率为0.45Hz，折线塔在结构体系2情况下的主梁正对称竖弯发生在第三阶振型，频率为0.425Hz。可以看出将塔梁墩固结改为塔梁固结、塔墩固定铰支座后，放开了主梁绕横桥向的转动约束，降低了主梁的竖弯振型频率；(3) 折线塔在结构体系1情况下滑动铰支座处塔侧弯发生在第一阶振型，频率为0.12Hz，发生在主梁正对称竖弯之前；折线塔在结构体系2情况下出现双塔同向侧弯和反向侧弯分别发生在第一阶和第二阶振型，也出现在主梁正对称竖弯之前，说明支座的转动刚度影响了横桥向的刚度，使塔变柔；(4) 通过两种结构体系的对比发现，同振型的频率，结构体系1比结构体系2的频率普遍高，这是因为将塔梁墩固结换成大型钢支座，使结构的整体刚度有所下降，周期加长。但从数值上来说，相差不大，说明整体刚度相差不大。

4地震响应反应谱分析

（1） 地震动输入模式

反应谱分析采用《公路桥梁抗震设计细则》阻尼比为0.05的水平设计加速度反应谱。沈阳市抗震设防烈度为7度，地震加速度峰值为0.1g。场地土类型为Ⅱ类场地土，特征周期为0.35s。

《公路桥梁抗震设计细则》中规定，一般情况下，公路桥梁可只考虑水平地震作用，直线桥可分别考虑顺桥向X和横桥向Y的地震作用。该桥采用一致地震输入模型。地震动力输入模式为取纵桥向十横桥向组合模型。

（2） 反应谱结果分析

两种结构体系下在纵向地震作用下的塔顶、梁端纵向位移和墩底弯矩、墩底剪力分别见表2和表3；两种结构体系下在横向地震作用下墩底弯矩和墩底剪力见表4。在纵向地震作用下斜拉索索力如图2所示。

表2 纵向地震作用下塔顶和梁端纵向位移

结构体系 塔顶纵向位移/mm 梁端纵向位移/mm

折线塔 直塔 折线塔 直塔

左端 右端 左端 右端 左端 右端 左端 右端

结构体系1 7 7 6 6 4 4 4 6

结构体系2 6 8 6 8 4 6 5 7

表3 纵向地震作用下墩底内力

结构体系 墩底弯矩/kN・m 墩底剪力/kN