強(qiáng)震區(qū)混合梁獨(dú)塔斜拉橋縱向抗震設(shè)計(jì)

何沁洲， 賀金海， 袁萬城

(1. 廣東保輝建筑工程有限公司， 廣東 汕頭 515041； 2. 同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 上海 200092)

受地形地貌等因素控制，獨(dú)塔斜拉橋通常采用兩跨不對稱布置。這種不對稱性，解決了工程設(shè)計(jì)中不對稱跨越的需求。為適應(yīng)這種結(jié)構(gòu)不對稱跨越要求，主梁一般采用混合梁形式。與傳統(tǒng)斜拉橋相比，混合梁獨(dú)塔斜拉橋在結(jié)構(gòu)質(zhì)量、剛度的分布上差異很大，不利于結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防，尤其在強(qiáng)震區(qū)，結(jié)構(gòu)的抗震能力是橋梁設(shè)計(jì)的重要控制因素。

斜拉橋按照塔、墩、梁的連接方式可分為漂浮體系、半漂浮體系、塔梁固結(jié)體系等。研究表明，斜拉橋的抗震性能與結(jié)構(gòu)的約束體系密切相關(guān)，一般而言，漂浮、半漂浮體系為長周期結(jié)構(gòu)，地震作用下主梁縱向位移大，主梁慣性力主要由主梁傳遞給斜拉索，再由斜拉索傳遞給主塔，主梁位移大，主塔截面內(nèi)力較??；塔梁固結(jié)體系的結(jié)構(gòu)剛度大，結(jié)構(gòu)自振周期小，主梁位移較小，但是結(jié)構(gòu)地震力往往較大，因此國內(nèi)外的許多大跨度斜拉橋中提出了塔梁之間設(shè)置鋼絞線彈性索，如廣東汕頭海灣大橋、日本名港中大橋；這種抗震設(shè)防體系中，結(jié)構(gòu)自振周期得到適當(dāng)延長，主梁的慣性力基本通過塔梁的彈性索連接處傳遞到主塔，傳力點(diǎn)較低，可有效降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，若彈性索剛度選取得當(dāng)，往往能夠兼顧橋梁的強(qiáng)度和變形能力[1～4]。對于混合梁獨(dú)塔斜拉橋，由于結(jié)構(gòu)質(zhì)量與剛度分布與一般斜拉橋的差異性，研究漂浮、半漂浮體系與設(shè)置彈性索的抗震體系的適用性具有重要的意義。

另一方面，對于混合梁獨(dú)塔斜拉橋，在地震作用下，為避免上部結(jié)構(gòu)傳遞到橋墩的慣性力過大，一般允許主墩、輔助墩以及過渡墩支座發(fā)生縱向滑動(dòng)，但是這種自由滑動(dòng)又導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)傳遞至橋墩的慣性力較小，墩柱安全儲(chǔ)備較高，墩柱抗力沒有充分發(fā)揮，墩梁相對位移較大。而橋墩作為主要受力構(gòu)件，應(yīng)充分利用橋墩的抗震能力，合理分擔(dān)主梁的水平慣性力，進(jìn)一步約束梁體位移與主塔內(nèi)力。拉索減震支座是一種基于“平衡結(jié)構(gòu)地震力與梁體位移”矛盾的減隔震支座[5]，基于拉索減震支座的抗震能力優(yōu)化，有利于提高全橋的整體抗震能力。

本文以汕頭新津河大橋?yàn)楸尘?，建立了有限元模型，對比研究了不同抗震體系下的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，研究了基于拉索減震支座的全橋抗震性能優(yōu)化。

1 工程概況

該橋上跨新津河，橋梁總長827 m，主橋采用橋跨布置為89+245+185 m的獨(dú)塔雙索面混合梁斜拉橋，全長519 m，橋面寬度為44.0 m。邊跨設(shè)置1個(gè)輔助墩，斜拉索采用空間扇形雙索面布置。主塔采用水滴形橋塔，主塔塔身高146 m。主梁采用混合梁，主梁索錨區(qū)采用疊合梁，邊跨以及主跨非索錨區(qū)采用混凝土箱梁，疊合梁縱梁采用箱形截面，梁高2.75 m。混凝土梁采用變截面雙箱斷面，中支點(diǎn)梁高8.0 m，跨中梁高與疊合梁等高。

如圖1中所示，P01，P05為過渡墩，P02為主墩，P03為主塔，P04為輔助墩。墩梁之間均設(shè)置支座，支座的具體布置方式如圖2所示。全橋基礎(chǔ)均采用樁基礎(chǔ)，為鉆孔灌注樁。

圖1 全橋立面布置/m

圖2 支座布置示意

2 有限元模型與結(jié)構(gòu)體系

2.1 有限元模型

采用SAP2000通用有限元分析軟件建立該斜拉橋有限元分析模型，如圖3所示。其中主塔、主梁、橋墩均采用空間彈性梁單元模擬，考慮恒載軸力引起幾何剛度的影響。主塔、主梁、橋墩自身重量通過賦予截面面積和材料重度來實(shí)現(xiàn)，橋面二期恒載等附加質(zhì)量采用線質(zhì)量方式加在主梁單元上。斜拉索采用梁單元模擬，釋放梁端彎矩，運(yùn)用Ernst公式考慮斜拉索的垂度效應(yīng)。塔、墩基礎(chǔ)為群樁，采用空間六彈簧模型模擬樁-土相互作用[6]。橋梁支座則根據(jù)支座類型采用不同的方式模擬，支座豎向按照固定處理，固定支座以及單向活動(dòng)支座的非活動(dòng)方向按照固定處理，支座的滑動(dòng)方向采用座用雙線性理想彈塑性彈簧連接單元代表，支座滑動(dòng)力為支座摩擦力。

圖3 斜拉橋有限元模型

2.2 拉索減震支座

拉索減震支座[7]是組合型創(chuàng)新支座，工程實(shí)踐中球鋼支座由于其穩(wěn)定的受力性能而得到廣泛應(yīng)用，利用球鋼支座的這一特點(diǎn)，結(jié)合了高強(qiáng)、柔性的鋼絲繩，從而實(shí)現(xiàn)在橋梁結(jié)構(gòu)遭遇地震時(shí)，固定或者單向型球鋼支座的抗剪銷釘剪斷，支座發(fā)生滑動(dòng)，結(jié)構(gòu)體系變?yōu)闇p隔震體系，減小結(jié)構(gòu)地震內(nèi)力響應(yīng)，并通過拉索裝置限制墩梁位移[8]。

根據(jù)拉索減震支座的恢復(fù)力模型可由球鋼支座和拉索的恢復(fù)力曲線組合而成。如圖4所示，其中，K1為盆式支座的初始剛度；Fs為臨界摩擦力，F(xiàn)s=μN(yùn)，μ為滑動(dòng)摩擦系數(shù)，N為豎向壓力；K2為拉索剛度；u為彈性拉索的松弛度。其中u值代表了拉索減震支座的自由行程，當(dāng)支座位移小于u值時(shí)，拉索不發(fā)揮限位作用[9,10]?？拐鹪O(shè)計(jì)中可根據(jù)下部結(jié)構(gòu)抗震能力確定不同的u值，一般而言，u值越大地震位移越大，地震內(nèi)力越小，反之亦然。

圖4 拉索減震支座本構(gòu)

2.3 結(jié)構(gòu)抗震體系

為比較不同體系下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)特點(diǎn)，本文提出了3種不同的抗震設(shè)防體系：

體系Ⅰ：固結(jié)體系，該體系下考慮塔梁固結(jié)，墩梁之間均設(shè)置(縱向)滑動(dòng)支座，支座類型采用球形鋼支座，包含固定支座、單向支座以及雙向支座，如圖2所示，其中P03塔處，采用塔梁固結(jié)。

體系Ⅱ：半飄浮體系，該抗震設(shè)防體系下，塔梁、墩梁之間均設(shè)置(縱向)滑動(dòng)支座，支座類型采用球形鋼支座，包含固定支座、單向支座以及雙向支座，如圖2所示，其中P03塔處，設(shè)置縱向滑動(dòng)支座。

體系Ⅲ：彈性索體系，在體系Ⅱ基礎(chǔ)上，塔梁之間設(shè)置彈性索，改變主梁地震慣性力的傳力途徑，彈性索采用高強(qiáng)鋼絞線，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1860 Mpa。

3 地震動(dòng)輸入

根據(jù)工程場地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告，工程場地的地震烈度為Ⅷ度。橋址處50年2%(重現(xiàn)期2500年) 超越概率水平地震動(dòng)的特征周期為0.90 s，根據(jù)場地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告提供的地震動(dòng)加速度時(shí)程(編號(hào)分別為E2-1，E2-2，E2-3)，地震動(dòng)加速度峰值為0.337g[12]，考慮豎向地震動(dòng)的影響，豎向地震動(dòng)取水平地震動(dòng)的0.65倍。圖5為典型人工地振波與反應(yīng)譜。

圖5 典型人工地震波與反應(yīng)譜

4 主橋地震反應(yīng)特點(diǎn)

4.1 減震效果對比研究

按照CJJ 166-2011《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]，采用3條地震波進(jìn)行非線性時(shí)程分析，取計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)值作為地震響應(yīng)的代表值進(jìn)行分析比較，3種不同抗震設(shè)防體系下的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)如表1，2所示。

表1 不同體系的地震內(nèi)力響應(yīng)幅值(塔/墩底彎矩) kN·m

表2 不同體系的地震位移響應(yīng)幅值(支座位移) m

比較分析上述計(jì)算結(jié)果，分析P03主塔地震內(nèi)力與塔梁相對位移可知，固結(jié)體系下，主塔塔底彎矩遠(yuǎn)大于其它抗震體系，因此，高烈度區(qū)的抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)避免采用這種固結(jié)體系。對比半漂浮體系與彈性索體系，兩者都能有效降低主塔地震內(nèi)力，由于傳力體系的不同，彈性索體系的地震內(nèi)力與地震位移均小于半飄浮體系，因此彈性索體系相對于半飄浮體系是一個(gè)更優(yōu)的抗震設(shè)防策略。

4.2 彈性索與拉索減震支座組合體系

比較分析地震下P01，P02，P04，P05橋墩地震力與橋墩支座位移可知：半飄浮體系與彈性索體系下，橋墩墩底彎矩均處于一個(gè)較小的水平，而主梁位移仍然較大；這種情況表明，在橋梁重要構(gòu)件承受較大的地震損壞風(fēng)險(xiǎn)情況下，橋墩等主要受力構(gòu)件并未有效發(fā)揮其地震抗力來抵抗地震力，從整體來考慮，這并非合理的選擇。鑒于彈性索體系在地震內(nèi)力與位移控制上的優(yōu)越性，本文在彈性索體系的基礎(chǔ)上，全橋支座均采用拉索減震支座。為兼顧地震內(nèi)力與位移的平衡，經(jīng)參數(shù)分析，新津河大橋中，主橋拉索減震支座自由程設(shè)置為0.3 m，優(yōu)化結(jié)果如圖6和表3所示。

圖6 墩(塔)梁位移

表3 基于拉索減震支座的地震內(nèi)力響應(yīng)幅值(塔、墩底彎矩)kN·m

分析上述結(jié)果可知，采用拉索減震支座的情況下，在橋墩墩底彎矩提高到原來的1.66～1.95倍之間，墩柱內(nèi)力呈明顯但合理的增大，主塔彎矩降低為僅彈性索方案的0.96，塔底彎矩與墩(塔)梁相對位移也得到進(jìn)一步降低，相對位移控制在0.31～0.32 m之間。分析表明，采用拉索支座合理發(fā)揮了橋墩的抗震能力，分擔(dān)結(jié)構(gòu)地震力，進(jìn)一步控制墩梁、塔梁位移，是一個(gè)合理的抗震設(shè)防策略。

5 結(jié) 論

綜合上述分析，本文結(jié)合一座獨(dú)塔非對稱斜拉橋的工程實(shí)例，分析比較了不同抗震設(shè)防體系，結(jié)果表明：

(1)高烈度區(qū)獨(dú)塔斜拉橋，采用固結(jié)體系情況下，結(jié)構(gòu)剛度大，主塔將承受較大的地震內(nèi)力，應(yīng)避免采用塔梁固結(jié)體系；

(2)半飄浮體系與彈性索體系均能有效降低斜拉橋主塔地震內(nèi)力，由于傳力模式的不同，半飄浮體系的主梁位移顯著大于彈性索體系，后者是更優(yōu)的抗震設(shè)防體系；

(3)拉索減震支座與彈性索組合體系可充分利用橋墩的抗震能力，分擔(dān)地震災(zāi)害，進(jìn)一步降低主塔地震內(nèi)力與支座位移，有利于控制防落梁災(zāi)害與不良碰撞的發(fā)生，是一個(gè)合理的抗震策略。