塔梁約束體系對(duì)空間扭索面獨(dú)塔斜拉橋橋梁抗震性能影響研究

吳 江

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司,廣東 廣州 510507）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快和交通需求的增大，橋梁作為城市交通的重要組成部分，承擔(dān)著越來越大的交通運(yùn)輸壓力。然而，地震作為一種不可預(yù)測(cè)的自然災(zāi)害，給橋梁結(jié)構(gòu)帶來了巨大的破壞風(fēng)險(xiǎn)。因此，提高橋梁的抗震性能成為重要的研究課題。獨(dú)塔斜拉橋作為一種新型的橋梁結(jié)構(gòu)形式，具有較高的經(jīng)濟(jì)性和美觀性，被廣泛應(yīng)用于不同規(guī)模和跨度的橋梁工程。其采用單座塔梁和斜拉索來支撐橋面，使得整個(gè)橋梁形成了一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。然而，在地震作用下，獨(dú)塔斜拉橋橋塔承受了主要地震慣性力[1-8]，故地震嚴(yán)重影響橋梁的安全性和可靠性。

在研究橋梁抗震性能的過程中，塔梁約束對(duì)橋梁的整體剛度和穩(wěn)定性具有非常重要的影響。然而，目前對(duì)于獨(dú)塔斜拉橋塔梁約束對(duì)橋梁抗震性能影響的研究還相對(duì)較少，特別是在不同約束設(shè)置條件下，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)研究尚不充足。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的騰飛，人們對(duì)橋梁美學(xué)的要求越來越高，空間扭索面獨(dú)塔斜拉橋以其獨(dú)特及富有張力的造型脫穎而出，但其受力模式與常規(guī)結(jié)構(gòu)受力概念設(shè)計(jì)相違背，因此研究其塔梁約束方案對(duì)該類斜拉橋的抗震性能的影響具有非常重要的意義。

該論文旨在通過對(duì)某獨(dú)塔空間扭索面斜拉橋進(jìn)行塔梁約束研究，探索不同約束方案對(duì)橋梁抗震性能的影響。采用SAP2000 建立該獨(dú)塔斜拉橋的有限元模型，在地震荷載下進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，得到橋梁在不同約束方案下的地震響應(yīng)。通過對(duì)比結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)得到該類斜拉橋最優(yōu)的塔梁約束方案。

該論文的研究?jī)?nèi)容和方法具有一定的理論和實(shí)踐意義。為該類體系獨(dú)塔斜拉橋的抗震設(shè)計(jì)提供新思路和參考，同時(shí)對(duì)推廣和應(yīng)用該類獨(dú)塔斜拉橋結(jié)構(gòu)具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。

1 工程概況及有限元模型的建立

1.1 工程概況

某工程為空間扭索面獨(dú)塔斜拉橋，跨徑組合為（268+158+55+85）m，主塔為獨(dú)塔雙柱塔，橋型立面圖如圖1 所示，聯(lián)系雙柱的橫系結(jié)構(gòu)造型取自“豐”的古體字，橋塔構(gòu)造圖如圖2 所示。塔柱總高為178 m，橋面以上高度為145 m。塔柱截面為矩形截面，從上至下逐漸增大，橫橋向尺寸由5 m 增大至8.5 m，縱橋向尺寸由6 m 增大至15 m，塔柱截面在橋面以上20 m 處開始縱橋向分為兩肢，塔底單肢縱橋向厚度為6 m，兩肢的間隙為3 m，總尺寸為15 m。對(duì)于混凝土塔，共設(shè)置三種壁厚，主塔橫系梁以下的下塔柱部分壁厚1.5 m；中塔柱壁厚1.2 m；拉索區(qū)作為上塔柱，壁厚1 m。對(duì)于鋼混組合塔，共設(shè)置兩種壁厚，主塔橫系梁以下的下塔柱部分壁厚1.2 m；中塔柱及上塔柱壁厚1 m。

圖1 橋型布置圖（cm）

圖2 橋塔一般構(gòu)造圖（cm）

拉索采用雙索面方案，拉索與主梁的連接方式與普通斜拉橋不同，橋塔最高的錨固點(diǎn)與最靠近橋塔的主梁錨固點(diǎn)箱梁相連，橋塔最低的錨固點(diǎn)與最遠(yuǎn)離橋塔的主梁錨固點(diǎn)箱梁相連。造型像飛翔的翅膀，是一個(gè)美學(xué)與力學(xué)相融合的拉索布置方式。

1.2 地震波選取及有限元模型的建立

由于地震動(dòng)受地震發(fā)震機(jī)理、傳播介質(zhì)、場(chǎng)地條件因素影響，具有很大的不確定性，模擬不同場(chǎng)地的地震動(dòng)時(shí)程難度很大。在不同的地震動(dòng)輸入下，結(jié)構(gòu)體系的位移、內(nèi)力也不盡相同。因此，在進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，合理地選擇地震動(dòng)是非常必要的。根據(jù)其選取原則，該文從PEER 數(shù)據(jù)庫(kù)中選取了3 條天然地震動(dòng)記錄，如圖3所示。

圖3 3 條地震動(dòng)時(shí)程曲線

采用SAP2000 Nonlinear 有限元程序，應(yīng)用三維有限元模型建立了該橋動(dòng)力計(jì)算模型進(jìn)行抗震性能分析，其有限元模型如圖4 所示，計(jì)算模型均以順橋向?yàn)閄 軸，橫橋向?yàn)閅 軸，豎向?yàn)閆 軸。模型中主塔、主梁、過渡墩及輔助墩均離散為空間梁?jiǎn)卧?，其中主梁采用單梁式力學(xué)模型，并通過主從約束同斜拉索形成“魚骨式”模型；斜拉索采用空間桁架單元并進(jìn)行端部釋放模擬拉索，采用P-delta 力模擬拉索拉力對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的幾何剛度影響，為了減少計(jì)算量，采用FNA 法進(jìn)行非線性時(shí)程分析，結(jié)構(gòu)阻尼取0.03。

圖4 計(jì)算模型

2 塔梁約束方案研究

為研究不同塔梁約束方案對(duì)空間扭索面獨(dú)塔斜拉橋抗震性能的影響，建模時(shí)不考慮材料的非線性，過渡墩及輔助墩采用滑動(dòng)支座，其中塔梁連接約束如表1 所示。

表1 塔梁約束方案

2.1 不同塔梁約束下結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

不同塔梁約束下結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，如表2 所示。

表2 不同塔梁約束下結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

由表2 可知，塔梁約束對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性影響較大。體系一由于縱向采用塔梁固結(jié)，約束剛度較大，其一階主塔與主梁縱向基頻最大；體系一與體系四橫向均設(shè)置抗風(fēng)支座，故其橫向剛度較大，其主塔與主梁橫向基頻大于體系五基頻；體系五取消橫向抗風(fēng)支座，通過設(shè)置拉索減震支座實(shí)現(xiàn)橫向抗風(fēng)及主梁橫向限位功能，可有效降低結(jié)構(gòu)縱橫向剛度，體系五一階振型圖如圖5所示。

圖5 體系五一階振型

2.2 不同塔梁約束下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)

E2 地震下縱橋向關(guān)鍵截面地震響應(yīng)如圖6 所示，由圖6 可知，體系一采用塔梁固結(jié)體系，塔梁約束剛度最大，故地震作用下，橋塔地震響應(yīng)最大；體系2 采用塔梁縱向自由，其約束剛度最小，橋塔處各關(guān)鍵截面地震相應(yīng)最小，相較于體系一，塔底彎矩減小約19%；體系三采用縱向自由+縱向阻尼器裝置，縱向阻尼器具有限制主梁位移及耗能能力，塔底彎矩減小約14%；體系四塔梁連接采用摩擦擺支座，由于摩擦擺支座具有一定的隔震效果，橋塔關(guān)鍵截面地震響應(yīng)相較于體系一減小11%；體系五采用拉索減震支座，在E2 地震作用下，拉索減震支座固定栓銷被剪斷，支座開始滑移，當(dāng)滑動(dòng)量超過容許位移時(shí)，拉索限位裝置發(fā)揮作用，限制主梁位移，從而實(shí)現(xiàn)耗能能力，塔底彎矩減小約13%。

圖6 E2 地震下縱橋向關(guān)鍵截面地震響應(yīng)

E2 地震下橫橋向關(guān)鍵截面地震響應(yīng)如圖7 所示，由圖7 可知，體系一至體系四采用橫向抗風(fēng)支座，橫向約束剛度基本一致，故橫向地震響應(yīng)相差不大；體系五取消橫向抗風(fēng)支座，采用固定拉索減震支座，其作用機(jī)理為在E1 地震作用下及風(fēng)荷載作用下，固定拉索減震支座的栓銷未被剪斷，故其相當(dāng)于橫向抗風(fēng)支座的作用，在E2 地震作用下，栓銷被剪斷，橫向約束釋放，支座開始滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)耗能能力，當(dāng)支座位移超過初始安全位移時(shí)，拉索限位裝置發(fā)揮作用，從而防止塔梁碰撞，相較于體系一，體系五橫向地震相應(yīng)在塔梁相接處減少17.2%。

圖7 E2 地震下橫橋向關(guān)鍵截面地震響應(yīng)

E2 地震下縱橋向梁端位移如圖8 所示，由圖8 可知，體系一塔梁固結(jié)約束剛度最大，梁端位移最??；體系二縱向滑動(dòng)，梁端位移最大；體系三、體系四、體系五設(shè)置減隔震裝置及限位裝置，梁端位移相較于體系二減小約56%。

圖8 E2 地震下縱橋向梁端位移

3 結(jié)語(yǔ)

該文通過SAP2000 建立某空間扭索面獨(dú)塔斜拉橋的有限元模型，對(duì)比不同塔梁約束體系布置方案，分析該橋梁體系在地震作用下的響應(yīng)規(guī)律，進(jìn)而選出該橋梁體系最優(yōu)的塔梁約束方案。經(jīng)過計(jì)算分析，主要研究結(jié)論如下：

（1）不同塔梁約束方案對(duì)空間扭索面獨(dú)塔斜拉橋的動(dòng)力特性影響較大，塔梁固結(jié)約束剛度最大，故其結(jié)構(gòu)基頻最大。

（2）縱橋向地震作用下，塔梁固結(jié)體系橋塔地震相應(yīng)最大，主梁位移最??；縱向自由體系，橋塔地震響應(yīng)最小，主梁位移最大；縱向自由+阻尼器體系、摩擦擺支座體系、拉索減震支座體系減震率分別為14%、11%、13%。

（3）橫向地震作用，設(shè)置橫向抗風(fēng)支座，對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)不利；采用橫向設(shè)置固定拉索減震支座能實(shí)現(xiàn)橫向抗風(fēng)功能及橫向減震效果，同時(shí)橫向設(shè)置拉索減震支座，拉索限位裝置能有效限制主梁位移，從而避免塔梁碰撞。

綜上所述，通過對(duì)空間扭索面獨(dú)塔斜拉橋不同塔梁約束形式的分析計(jì)算，最終拉索減震支座+橫向取消抗風(fēng)支座的約束形式。