灾害性荷载作用下桥梁结构安全性能研究

1  工程概况

为促进象山地区与宁波市区的协作联系，满足该地区经济高速发展和公民出行需要，现拟建象山港铁路跨海大桥，桥梁长29.64 km。象山港大桥桥位的海面宽度约6.5 km，水深都在10 m以上，其中水深在18 m以上海面宽度为1.8 km。根据通航净空尺度及技术要求，推荐主跨为688 m双塔双索面钢箱梁斜拉桥方案，布跨形式为82 m+262 m+688 m+262 m+82 m，主桥总长度为1 376 m。

2  地震动参数和地震设防标准

根据大桥场址潜在震源区划分，该桥位区域的地壳属于相对稳定，断裂差异活动不强烈的弱活动区，同时场地区域存在发生6级左右破坏性地震的活动背景和构造背景。在充分研究工程场址所处的地震地质环境、考虑地震活动的时空非均匀性和研究桥址所在地区基岩地震动加速度及反应谱衰减关系的基础上，采用综合概率法对主桥位进行地震危险性分析计算，并对地震危险性分析计算结果进行不确定性校正。

2.1  地震设防标准

参考JTGT 2231–01—2020《公路桥梁抗震设计规范》，国内大桥一般采用两水准设防二阶段设计的抗震设计方法，用第一种概率水准（P_l）下的地震荷载检算结构强度，用第二种概率水准（P₂）下的地震荷载检算结构位移和变形。

具体设防标准：P_l采用50年超越概率10 %，对应的重现期为475年，用以检算强度；P₂为50年超越概率2 %~3 %，对应的重现期约为1 650~2 500年，用以检算位移或变形。

根据象山港大桥主通航孔及非通航孔引桥的重要性、震后修复难易程度和在地震事件中一旦损坏所造成的损失大小，本研究确定的象山港大桥抗震设防水准为：主通航孔桥P_l的100年超越概率为10 %；P₂的100年超越概率为3 %；抗震设防烈度为6度。

2.2  地震动参数

地震加速度峰值根据JTGT 2231–01—2020《公路桥梁抗震设计规范》确定，阻尼比取0.03，两种超越概率下的地表水平与竖向加速度反应谱模型如图1、图2所示。

图1  不同超越概率下地表水平地震设计加速度反应谱

图2  不同超越概率下地表竖向地震设计加速度反应谱

3  桥梁抗震性能分析

3.1  桥梁有限元模型

采用空间杆系有限元模型进行象山港大桥的地震响应分析。即将桥梁各个构件，如桥塔、主梁、桥墩、桩基础、斜拉索等用空间梁单元和杆单元进行模拟和离散。具体双塔斜拉桥的结构模型如下说明。双塔斜拉桥主要构件的截面特性以及结构的边界条件处理如下。

3.1.1  塔柱

双塔斜拉桥桥塔在计算模型中用空间梁单元模拟，同时考虑桥塔在成桥状态下轴向力引起的几何刚度阵影响。桥塔材料采用C50级混凝土，弹性模量为3.62×10⁴ MPa，容重为26.5 kN/m³。塔柱的截面特性计算汇总见表1。

表1   桥塔塔柱截面特性计算

3.1.2  主梁

主梁采用闭口截面钢混结构钢箱梁，梁宽24 m。经过主梁截面特性计算得：标准主梁的面积为2.014 m²；截面惯矩为I₁=2.516 97 m⁴；I₂=3.577 57 m⁴。主梁标准断面的抗扭惯矩为4.947 9 m⁴。

在动力分析中结构的质量体系必须正确模拟，在模型中桥面系二期永久荷载作为附加质量加到主梁单元上。自重+二期永久荷载120 kN/m。

3.1.3  承台

（1）斜拉索。斜拉索采用平行钢丝索，弹性模量为1.95×10⁵ MPa。计算模型中将斜拉索用受拉压的杆单元进行模拟，成桥下斜拉索的索力经过优化后，作为杆单元的初始轴力，并用于计算其几何刚度矩阵。

（2）主桥塔、梁、墩约束关系。模型中桩基梁单元的底部边界条件为固结。斜拉索一端锚固在钢箱梁上，计算模型中斜拉索单元节点与主梁单元节点不在同一位置，模型中通过主从约束将主梁节点与其两侧的斜拉索节点约束成一个刚体。加劲梁和桥塔以及辅助墩顶顺桥向相对平动自由度不做任何约束，竖向及横向相对平动自由度主从（位移相等）。实际情况中塔、梁以及边墩、梁之间均设有支座，提供部分顺桥向相对平动位移的剪切刚度，计算模型中忽略支座的剪切刚度是偏安全的。

3.2  桥梁动力特性分析

计算得到的桥梁前十阶模态的自振频率、自振周期以及振型描述见表2。由于主梁采用单个梁单元模拟，前几阶动力特性结果中未出现主梁扭转振动振型。

表2   双塔斜拉桥动力模态振型

3.3  地震反应谱分析

象山港大桥斜拉桥方案的地震反应分析采用反应谱法，抗震设防烈度为6度，计算考虑前300阶振型，振型组合使用CQC（完全二次项平方根）方法。结构地震反应计算考虑两种工况。工况一：顺桥向地震输入+竖向地震输入。工况二：横桥向地震输入+竖向地震输入。地震反应的方向振型组合采用SRSS（平方和平方根）法。双塔斜拉桥分别在100年超越概率10 %和100年超越概率3 %地震输入情况下，桥梁主要构件的地震内力计算结果见表3、表4，其中桥塔内力为单根塔柱内力。桥梁下部结构承台底的地震内力计算结果见表5~表7。

表3  顺桥向地震输入桥梁各构件地震内力

表4  横桥向地震输入桥梁各构件地震内力

表5  双塔斜拉桥桥塔承台底地震内力

表6  双塔斜拉桥辅助墩承台底地震内力

表7  双塔斜拉桥过渡墩承台底地震内力

4  结论

对于地震反应，采用两水准设防二阶段设计的抗震设计方法。根据象山港大桥的重要性、震后修复难易程度和在地震事件中一旦损坏所造成的损失大小确定的设防水准为P₁的100年超越概率10 %；P₂的100年超越概率3 %；抗震设防烈度为6度。

经过反应谱方法对结构的地震反应计算，根据选取的各关键截面参数与内力，依据JTGT 2231–01—2020《公路桥梁抗震设计规范》，结构的抗震性能满足要求。