梁 洪 昌

(亳州市公路管理局，安徽 亳州 236800)

·橋梁·隧道·

大跨度斜拉橋性能評估及抗震分析

梁 洪 昌

(亳州市公路管理局，安徽 亳州 236800)

結(jié)合某公路斜拉橋工程分析實例，進行了抗震性能初步評估，采用反應(yīng)譜法進行抗震分析，對主橋各關(guān)鍵截面進行抗震性能的詳細評估，為類似橋梁抗震性能評估工作提供借鑒。

大跨度斜拉橋，反應(yīng)譜分析，抗震性能評估

0 引言

近三十年，隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，大跨度橋梁的建設(shè)掀起了高潮，尤其是大跨斜拉橋在我國已經(jīng)廣泛運用到城市及公路橋梁設(shè)計中。早期建設(shè)的橋梁所依據(jù)的抗震設(shè)防標準已不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，加上長時間的運營使用后，其抗震性能明顯不佳。因此，有必要對已建橋梁采用可靠的抗震性能評估方法進行抗震性能評估，并依據(jù)評估結(jié)果采取相應(yīng)的設(shè)計和加固措施，以提高橋梁的抗震能力。

1 工程概述

某大跨斜拉橋主橋為雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，主跨224 m，5跨連續(xù)的組合為(38+76+224+76+38)m，主橋長為452 m，主塔采用鋼筋混凝土門型橋塔，索塔總高73.89 m。主橋一般布置如圖1所示。

2 抗震性能初步評估

該橋已服役28年，抗震性能明顯下降，故有必要對其進行抗震性能評估。結(jié)合國內(nèi)外評估經(jīng)驗以及我國自身的橋梁結(jié)構(gòu)和地震環(huán)境特點按如下5個步驟對該橋進行抗震性能初步評估。

表1 抗震性能初步評估結(jié)果

1)抗震最低性能水平的確定；2)地震危險性水平的確定；3)抗震加固等級的確定；4)易損性級別確定；5)橋梁等級判定。

初步評估結(jié)果如表1所示。

根據(jù)初步評估，得到E1作用下R=10.94，評定結(jié)果在10～15，則E1地震作用下橋梁發(fā)生破壞的可能性為中等；E2作用下R=18.63，評定結(jié)果大于15，則對應(yīng)地震作用下橋梁發(fā)生破壞的可能性較大。

綜上，該橋需要進行抗震加固和維修，并要進行抗震性能詳細評估。

3 抗震性能詳細評估

3.1 空間有限元模型的建立

采用有限元軟件SAP2000建立該斜拉橋三維空間有限元計算模型，通過進一步分析其動力特性、動力響應(yīng)及關(guān)鍵截面的驗算來評估該橋的抗震性能。主塔、主梁、橋墩用空間梁單元模擬，斜拉索采用空間桁架單元，采用Ernst公式修正拉索彈性模量，從而考慮拉索的垂度效應(yīng)。拉索與主梁和主塔均采用剛體限制連接，過渡墩及輔助墩群樁基礎(chǔ)用六彈簧模擬樁土作用，塔底由于沉管基礎(chǔ)故采用固結(jié)處理。有限元模型如圖2所示。

3.2 動力特性分析

在本橋的有限元數(shù)值模擬過程中，采用Ritz向量法分析了橋梁結(jié)構(gòu)的前600階振型，振型組合為CQC組合，方向組合為SRSS組合。限于篇幅這里僅列出前10階自振周期、頻率及振型特征，見表2，前5階振型圖見圖3。

本橋為全漂浮體系，所以第1階振型為主梁縱飄，這一振型對主塔順橋向地震反應(yīng)貢獻最大。第2，第3階為主塔橫彎，對塔柱橫橋向地震反應(yīng)貢獻最大。

3.3 關(guān)鍵截面驗算結(jié)果

3.3.1 地震動輸入與反應(yīng)譜分析

根據(jù)GB 18306—2015中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖和JTG/T B02—01—2008公路橋梁抗震設(shè)計細則得到水平加速度反應(yīng)譜如圖4所示。

表2 橋梁自振頻率及振型特征

采用線彈性反應(yīng)譜分析方法，對主橋進行50年10%超越概率(E1地震作用)和50年2%超越概率(E2地震作用)地震水平進行分析。地震動輸入采用橫向加豎向和縱向加豎向兩種組合方式。

3.3.2 關(guān)鍵截面驗算

大量震害資料表明：斜拉橋震害主要產(chǎn)生于墩柱和索塔，即使是上部結(jié)構(gòu)破壞的情況，也往往是由于墩柱或索塔等的破壞或大變形引起的。結(jié)合抗震性能初步評估的結(jié)果，主塔、墩底和基礎(chǔ)關(guān)鍵截面是橋梁抗震驗算的主要部分。其中主塔關(guān)鍵截面有：截面1，上橫梁與主塔連接處截面；截面2，斜拉索最低錨固點截面；截面3，下橫梁與主塔連接處截面；截面4，塔底截面。

根據(jù)JTG/T B02—01—2008公路橋梁抗震設(shè)計細則中地震作用和永久作用的組合規(guī)則，對主塔、墩柱和單樁樁基等控制截面在永久作用和地震作用下的最不利軸力組合進行截面的軸力—彎矩—曲率分析，可以得到各控制截面的初始抗彎屈服強度My′、等效抗彎屈服強度My以及極限抗彎屈服強度Mu，并以此進行結(jié)構(gòu)的抗震性能驗算。

該橋為對稱結(jié)構(gòu)，故取一半結(jié)構(gòu)進行驗算，表3,表4列出了在E1和E2地震作用下各關(guān)鍵截面的驗算結(jié)果。

表3 E1地震作用下控制截面抗彎能力驗算

表4 E2地震作用下控制截面抗彎能力驗算

由驗算結(jié)果可知主塔所有關(guān)鍵截面均滿足驗算要求；過渡墩與輔助墩在橫向地震作用下驗算合格，在縱向地震動作用下均不滿足驗算要求；所有樁均不滿足抗震驗算要求。

4 結(jié)語

文章以一座大跨斜拉橋為工程實例，首先對其進行抗震性能初步評估，再通過有限元軟件SAP2000建立該空間有限元模型，分析該橋動力特性和抗震驗算準則，并對其抗震性能進行研究，得到以下結(jié)論：

1)在E1和E2地震作用下，主塔截面抗彎性能均滿足預(yù)期性能目標要求；輔助墩和過渡墩處最不利樁基的抗彎性能均不滿足預(yù)期性能目標要求。

2)橫向+豎向地震動輸入下，各墩墩底截面抗彎性能均滿足預(yù)期性能目標要求。

3)縱向+豎向地震動輸入下，各墩墩底截面抗彎性能基本不能滿足預(yù)期性能目標要求。

4)本文的抗震性能評估方法，在初步評估階段能給出一個定量的橋梁等級判定值，為后續(xù)的詳細評估提供依據(jù)；在詳細評估階段，通過模型計算可以定量的判斷關(guān)鍵截面抗震性能，為抗震加固的優(yōu)先級以及維修方案的制定提供重要參考。

[1] Buckle I G,Friedland I,Mander J,et al.Seismic Retrofitting Manual for Highway Structures[J].Highway Bridges,2007(5)：17.

[2] 李永波,閆興非,郭卓明,等.既有城市高架橋抗震能力評價與加固分析研究[A].全國橋梁學(xué)術(shù)會議[C].2014.

[3] 韓江水,張 玲,袁 涌.斜拉橋抗震性能評價[J].西安科技大學(xué)學(xué)報,2013,33(2):131-135.

[4] 游云川.大跨度斜拉橋動力特性及抗震性能研究[D].成都：西南交通大學(xué),2012.

[5] 包立新,李小珍,衛(wèi) 星,等.宜賓長江公路大橋斜拉橋抗震性能評價[J].工程力學(xué),2008,25(2):174-182.

[6] JTG/T B02—01—2008,公路橋梁抗震設(shè)計細則[S].

[7] GB 18306—2015,中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖[S].

Performance evaluation and seismic analysis of long span cable stayed bridge

Liang Hongchang

(BozhouHighwayAdministrationBureau,Bozhou236800,China)

Combined with the analysis of examples for the engineering of a highway cable-stayed bridge to achieve a preliminary assessment of seismic performance, seismic analysis used the response spectrum method for a detailed assessment of seismic performance of bridge of the key sections, and provided a reference to the similar seismic performance assessment of bridges.

long-span cable-stayed bridge, response spectrum analysis, seismic performance evaluation

1009-6825(2017)21-0130-03

2017-05-18

梁洪昌(1963- )，男，高級工程師

U448.27

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