高烈度地區(qū)深水位高塔斜拉橋合理抗震體系研究

斜拉橋結(jié)構(gòu)約束體系主要包括縱橫兩個方向。對主梁與橋塔（塔墩）間非固結(jié)的大跨徑斜拉橋，兩個方向的約束體系具有獨立性。縱向約束體系對橋梁整體結(jié)構(gòu)受力行為影響很大，是結(jié)構(gòu)約束體系的主要特征；橫向約束體系則對橋梁橫向受力有直接影響。斜拉橋由于跨度大和結(jié)構(gòu)柔性，在動力方面具有不同于一般工程結(jié)構(gòu)的特殊性[1]。

作為大跨度橋梁中使用率較高的斜拉橋，國內(nèi)外很多學(xué)者對其約束體系進行了研究。馮云成等[2]以廈漳跨海大橋南汊主橋的疊合梁斜拉橋方案為例，研究了塔梁、墩梁間橫橋向四種約束體系對該橋橫橋向抗震性能的影響；葉愛君等[3]分析了采用粘滯流體阻尼器的橫向約束體系對超大跨度斜拉橋地震反應(yīng)的影響；姜增國等[4]研究了彈性拉索和粘滯阻尼器兩種減震裝置對大跨斜拉橋地震響應(yīng)的影響；徐秀麗等[5]通過對蘇通大橋橫向減震控制的研究分析，認(rèn)為橫向采用局部減震體系最為合理；方圓等[6]以嘉興—紹興跨江通道的一座大跨斜拉橋為工程背景，研究了橋塔與主梁之間不同約束形式對結(jié)構(gòu)動力特性的影響；郝超等[7]以主跨618 m的武漢白沙洲長江大橋為工程背景，計算了不同主梁縱向約束方式下斜拉橋在地震作用下的響應(yīng)。斜拉橋形式多樣，各種結(jié)構(gòu)體系的抗震性能也有明顯差別，雖然國內(nèi)外對斜拉橋的地震反應(yīng)進行了廣泛的研究，但是對斜拉橋不同約束體系的研究結(jié)論還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，得到的結(jié)果也并不一致。

本文以云南某斜拉橋為工程背景，通過改變主橋上下部結(jié)構(gòu)之間的連接方式，來實現(xiàn)對橋梁縱橫向不同約束體系的模擬，對比分析了不同縱橫向結(jié)構(gòu)體系對橋梁抗震性能的影響，提出了一種適宜高塔斜拉橋的抗震結(jié)構(gòu)體系，為類似工程的抗震研究和設(shè)計等提供依據(jù)。

1 工程概況

橋梁主跨320 m，邊跨140 m，全長700 m。主梁采用鋼混組合梁，全寬32 m，標(biāo)準(zhǔn)索距12.6 m，邊跨部分索距加密為7.5 m，鋼主梁高2.8 m，鋼橫梁中心高度2.6 m，鋼筋混凝土橋面板厚26 cm。主橋索塔采用H型塔，一側(cè)（東川）索塔高250.5 m，蓄水位以下高度102 m；另一側(cè)（巧家）索塔高190 m，蓄水位以下高度41.5 m。橋址處于小江構(gòu)造斷裂帶附近，小江斷裂帶具有高速活動性，是云南地區(qū)最強烈的地震發(fā)生帶，橋址處設(shè)計基本地震加速度0.2g，50 a2%超越概率下地震加速度峰值為5 m/s2。

2 有限元模型及動力特性分析

采用有限元分析軟件SAP2000建立了橋梁全橋空間有限元模型，見圖1。

主梁、橋墩、基礎(chǔ)均采用空間Beam單元進行建模，支座采用Link單元模擬。采用m法模擬樁-土相互作用，采用Morison附加水質(zhì)量法考慮墩-水動力相互作用。特征方程求解利用Ritz模態(tài)分析了前500階動力特性，前10階振型結(jié)果見表1。

圖1 橋梁空間動力有限元模型

表1 橋梁動力特性描述

3 結(jié)構(gòu)抗震體系對比研究

針對不同抗震體系下的地震響應(yīng)進行對比，對縱橫向分別進行分析，計算采用E2地震進行輸入。由于體系對比中計算工況較多，采用瑞利阻尼計算工作量巨大，本文計算采用常阻尼進行，阻尼比取0.03。見表2。

表2 橋梁抗震體系比選方案

以地震輸入能量、塔底彎矩、梁端和塔頂位移、主梁地震響應(yīng)為控制指標(biāo)將縱橫向不同抗震體系進行對比分析。

3.1 地震輸入能量

不同抗震體系地震總輸入能量見圖2。

圖2 不同抗震體系地震總輸入能變化曲線

從圖2可以看出，不同抗震體系縱橫向的總地震輸入能量略有不同。就縱向抗震體系而言，“半漂浮體系”下的結(jié)構(gòu)總輸入能量最少，安裝阻尼器或彈性索的方案結(jié)構(gòu)總輸入能均有所增大，但總體最大相差7%以內(nèi)，而且考慮到安裝阻尼器的方案中阻尼器有耗能作用，因此從能量角度上難以反映結(jié)構(gòu)的總體地震響應(yīng)大小。就橫向抗震體系而言，“塔梁新型抗風(fēng)支座”方案總輸入能最小，相對“抗風(fēng)支座+軟鋼阻尼器”方案減小12%左右，從輸入能量的角度看，“塔梁新型抗風(fēng)支座方案”是最優(yōu)方案。

3.2 關(guān)鍵截面地震響應(yīng)

由于斜拉橋的塔底截面為其地震響應(yīng)較大部位，因此，以東川側(cè)水中塔柱底部彎矩為例，進行不同抗震體系的比較。見圖3。

圖3 東川側(cè)水下塔柱底彎矩

從圖3a可以看出：縱向不同抗震體系中，對塔底彎矩改善最大的為“半漂浮+梁端彈性索+阻尼器”方案，縱向彎矩比原方案減小6.69%；其次為“半漂浮+塔梁彈性索+阻尼器”方案，縱向彎矩比原方案減小5.28%；未設(shè)置阻尼器方案，塔底縱向彎矩有一定的增大。因此，設(shè)置阻尼器對塔底彎矩有一定的控制作用。從圖3b可以看出：橫向不同抗震體系中，“塔梁新型抗風(fēng)支座（彈性索加阻尼）”方案對橋塔地震響應(yīng)控制最優(yōu)，其次為“抗風(fēng)支座+軟鋼阻尼器（原方案）”方案，設(shè)置彈性索的方案最差。相比于原方案，新型抗風(fēng)支座能減小東川側(cè)塔底橫向彎矩1.84%。

3.3 地震位移響應(yīng)

對縱向不同抗震體系地震作用下主梁端部位移進行對比分析。見圖4。

從圖4可以看出，設(shè)置彈性索體系中，由于彈性索約束剛度較小，該體系對梁端縱向位移約束作用不大，但彈性索和阻尼器組合使用的體系對梁端位移控制效果優(yōu)于僅用阻尼器的減震方案。對于梁端縱向位移響應(yīng)而言，最優(yōu)體系為“半漂浮+梁端彈性索+阻尼器”方案，相對原方案，梁端位移分別減小10%和3.5%左右。

以東川側(cè)梁端位移和塔梁相對位移為例，對比橫向不同抗震體系地震作用下的橋梁位移響應(yīng)。見圖5。

圖4 不同縱向抗震體系梁端位移對比

圖5 不同橫向抗震體系梁端位移對比

從圖5可以看出，“抗風(fēng)支座+軟鋼阻尼器”方案及“塔梁-過渡墩彈性索”方案均會造成梁端位移的大幅增大，而“塔梁新型抗風(fēng)支座”方案的梁端和塔梁相對位移控制，在幾種方案中為最優(yōu)。

4 結(jié)論

1）對于地震輸入能量而言，不同縱向抗震體系總體相差不大，在7%以內(nèi)；橫向抗震體系中，“塔梁新型抗風(fēng)支座”方案總輸入能最小，相對“抗風(fēng)支座+軟鋼阻尼器”方案減幅達12%。

2）對于關(guān)鍵截面內(nèi)力而言，縱向抗震不同體系中，由于設(shè)置阻尼器對塔底彎矩有一定的控制作用，“半漂浮+梁端彈性索+阻尼器”體系對塔底彎矩改善最大，縱向彎矩減小7%；不同橫向抗震體系對塔底橫向彎矩的影響不大，變動在2%以內(nèi)。

3）對于關(guān)鍵點位移而言，不同縱向抗震體系中，設(shè)置彈性索體系對梁端縱向位移約束作用不大，但彈性索和阻尼器組合使用的體系對梁端位移控制效果優(yōu)于僅用阻尼器的減震方案；橫向抗震體系中，“塔梁新型抗風(fēng)支座”體系明顯優(yōu)于其他體系。

4）綜合來看，縱向選用“半漂浮+梁端彈性索+阻尼器”體系，橫向選用“塔梁新型抗風(fēng)支座”體系的抗震性能最優(yōu)。