多塔斜拉橋結構體系剛度和抗震性能研究進展綜述

季 陽 耿方方 沙 祥 時國慶 劉丹丹

(南京工程學院建筑工程學院，江蘇 南京 211167)

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多塔斜拉橋結構體系剛度和抗震性能研究進展綜述

季 陽 耿方方 沙 祥 時國慶 劉丹丹

(南京工程學院建筑工程學院，江蘇 南京 211167)

對多塔斜拉橋國內外應用進行了概述，從優化橋跨布置、邊跨設置輔助墩、增加塔間加勁索、采用剛性橋塔、采用剛性鉸五方面，分析了多塔斜拉橋體系剛度的研究進展，并介紹了其抗震性能的研究進展，為今后同類工程提供參考。

多塔斜拉橋，邊跨，剛性鉸，減震裝置

隨著沿海經濟的高速發展，連接各大沿海經濟區的跨海大橋相繼涌現。普通兩塔斜拉橋跨越能力有限并且需要較大的深水基礎。而多塔斜拉橋采用三塔以上的多跨連續結構，可以實現較大的主梁跨度，故被諸多跨海大橋設計方案所采用。然而，諸多跨海大橋設計相比于普通兩塔斜拉橋而言，最大的不足在于體系剛度偏小，并且由于塔梁連接形式復雜，導致了其抗震性能薄弱。因此，多塔斜拉橋的結構靜—動力特性亟待需要進行研究，以采取適當的工程措施來提高其體系剛度并改善其抗震性能。近十年來，國內外學者研究分析了多塔斜拉橋體系剛度及抗震性能問題，提出了多種改善措施。本文針對改善多塔斜拉橋的結構體系剛度和抗震性能影響因素進行總結與討論，并對多塔斜拉橋發展前景進行展望。

1 多塔斜拉橋國內外應用概述

1962年意大利莫蘭第教授在國際上首次提出了Morandi體系，并最早應用于委內瑞拉馬拉開波橋(Maracaibo Bridge)。這是世界上第一座多塔斜拉橋，此后多塔斜拉橋逐漸被各國學者所重視，Gim Sing，Leonhardt和Michel Virlogeux[1]等人針對這種橋型開展了大量的理論計算和設計實踐。此后，多塔斜拉橋因其優越性能逐步得到各國工程師的青睞。我國依托于國內大規模基礎設施建設的大背景，在多塔斜拉橋的設計和建造方面也取得了舉世矚目的成就。國內已建或在建的多塔斜拉橋超過了20余座，代表性的多塔斜拉橋工程有香港汀久大橋、岳陽洞庭湖大橋、山東濱州黃河大橋和浙江嘉紹大橋等。值得提出的是，2013年7月建成通車的嘉紹大橋是目前世界上跨度最大的6塔斜拉橋，全橋跨徑布置為70 m+200 m+5×428 m+200 m+70 m=2 680 m。該橋縱向結構體系采用半漂浮體系，主塔和橋墩固結，同時橋塔和主梁采用雙支點連接，邊跨設置1個輔助墩。通過這些工程措施，有效限制了塔梁間的內力和位移，提高了整體結構剛度[2]。國內外代表性多塔斜拉橋及其特征如表1所示。

2 多塔斜拉橋體系剛度研究進展

表1 國內外代表性多塔斜拉橋及其特征一覽表

多塔斜拉橋相比普通兩塔斜拉橋而言，最突出的力學特性就是體系剛度偏小，導致多塔斜拉橋在溫度、車輛荷載等靜荷載作用下的結構內力和變形反應較大，這是多塔斜拉橋和兩塔斜拉橋最重要的區別。以車輛荷載為例進行說明，兩塔斜拉橋的主跨作用車輛荷載時，主跨跨中產生向下的豎向變形，由于塔梁變形協調導致邊跨產生向上的豎向變形，而由于橋墩背索的存在限制了塔頂位移，使得兩塔斜拉橋的整體變形較小，結構體系剛度容易滿足設計要求。然而，對于多塔斜拉橋而言，由于主跨橋跨數較多并且缺乏橋墩背索的限制作用，導致車輛荷載作用下的主梁和塔頂位移較大，進一步增大構件內力，不利于結構安全[3]。

鑒于以上原因，采取有效措施，以提高多塔斜拉橋體系剛度，是設計和建造多塔斜拉橋的關鍵，目前，橋梁工程界常采用優化橋跨布置、設置輔助墩、增加塔間加勁索、采用剛性橋塔和采用剛性鉸等措施，來不同程度地提高多塔斜拉橋結構體系剛度。

1)優化橋跨布置。由于多塔斜拉橋跨數較多，邊跨長度與中跨長度的比值對結構體系剛度有較大影響。已有研究表明，多塔斜拉橋的邊跨越短，即邊跨與中跨比值越小，結構體系剛度越大。這是因為，邊跨越短，邊跨剛度越大。較短的邊跨可以有效提高邊跨拉索對塔頂位移的限制作用，而通過塔梁位移協調作用進一步控制中跨的豎向變形[4]。

2)邊跨設置輔助墩。荷載作用下，多塔斜拉橋因為沒有邊錨索固定中間塔，相比較兩塔斜拉橋而言，中間塔的水平位移將加大，梁的撓度也隨之增大；在邊跨設置輔助墩后，邊跨錨索可以充分發揮對橋塔的約束作用，從而有效限制橋塔和主梁的內力和變形。因此，輔助墩的設置能夠直接影響多塔斜拉橋的邊跨和邊塔的力學性能，然而，其對跨中的影響在通過次邊跨傳遞時將逐漸減小。喻梅、李喬等在研究輔助墩對多塔斜拉橋力學行為影響時發現，無論是三塔斜拉橋還是四塔斜拉橋，邊跨設置輔助墩都能有效提高結構整體剛度，明顯減小車輛荷載作用下的橋塔位移和內力[5]；李江龍的研究表明，車輛荷載作用下，設置輔助墩能有效控制梁和橋塔的內力和變形[6]。此外，從施工安全性角度來說，邊跨設置輔助墩不僅有利于提高多塔斜拉橋結構體系整體剛度，而且可以降低施工難易程度，提高安全性[5]。

3)增加塔間加勁索。在橋塔間設置加勁索，是提高多塔斜拉橋體系剛度的有效措施。多塔斜拉橋橋塔數量較多，包含邊塔和中塔等，而中塔受到的內力顯著大于邊塔。通過在邊塔和中塔之間設置加勁索，能夠將中塔的內力直接分配到邊塔上，從而有效降低橋塔和主梁的內力和變形，這種措施對于縱向全自由體系的效果最好[7]。設置加勁索的方式較多，例如香港汀久大橋在中塔頂部到邊塔塔梁結合位置設置了加勁索。

4)采用剛性橋塔。橋塔作為連接基礎，是承載橋梁和錨固拉索的壓彎構件，提高其剛度是改善多塔斜拉橋結構體系剛度最直接的措施。設置剛性塔能有效減小車輛荷載作用下橋塔和主梁的內力和變形反應。Morandi體系中即采用設置剛性塔的措施來提高多塔斜拉橋整體剛度，但同時剛性塔因其過高的造價而制約其發展。因此，工程師們致力于縮減基礎規模和造價來改進這一體系[2]。

5)采用剛性鉸。多塔斜拉橋主梁較長，在溫度作用下的縱向變形非常大，通過設置剛性鉸可以有效釋放主梁的溫度變形。設置剛性鉸在釋放主梁軸向力的同時抵抗彎矩、剪力和扭矩，以改善主梁的受力情況，確保橋面平順。目前，剛性鉸主要應用在主梁為混凝土的長聯連續梁橋和跨度大于400 m的斜拉橋中，如厄瓜多爾的國家聯合大橋、舊金山奧克蘭海灣大橋的高架公路橋段、嘉紹大橋等。特別需要指出，嘉紹大橋主航道橋(70+200+5×428+200+70) m的6塔鋼箱梁斜拉橋，其在國內首次使用了剛性鉸。計算表明，設置剛性鉸有效釋放了主梁的溫度變形，在釋放軸向力的同時，能夠抵抗彎矩、剪力和扭矩；而當不設置剛性鉸時，主梁在跨中失去一處縱向自由變形端，導致主梁縱向位移明顯增大[8]。

3 多塔斜拉橋結構抗震性能研究進展

目前，地震作用下對多塔斜拉橋結構抗震性能影響研究主要圍繞以下幾個方面：

1)輔助墩對抗震性能影響。設置輔助墩有利于改善多塔斜拉橋體系剛度，但在地震作用下，隨著輔助墩數量增加，輔助墩跨段主梁位移明顯減小，其他梁段位移略有增大，墩梁結合處相對位移基本不變。可以看出，輔助墩對提高多塔斜拉橋抗震性能效果并不明顯，相反，輔助墩數目增加可能增強主梁在各向的地震響應，削弱其抗震性能[9]。

2)剛性鉸對抗震性能影響。設置剛性鉸的主要目的在于適應長主梁的溫度變形，而對于多塔斜拉橋抗震性能影響很小。已有研究表明，地震作用下，剛性鉸在使主梁豎向位移趨于均勻的同時，增大橋梁橫向位移，對塔梁相對位移影響很小，基底順橋向剪力幅值和彎矩幅值略有提高，但增幅不超過3%。可以看出，剛性鉸對主梁位移影響較小，對提高抗震性能的效果不明顯[10]。

3)塔梁縱向連接形式對抗震性能影響。目前多塔斜拉橋采用的塔梁縱向連接形式主要有縱向全自由體系、縱向全固結體系和縱向部分固結體系三種。與兩塔斜拉橋類似，不同的塔梁縱向連接形式對于多塔斜拉橋內力和變形等地震反應產生影響。縱向全自由體系中主梁和橋塔在橋梁縱向相對自由，這種體系形式導致了地震作用下的整體位移反應非常大，而橋塔等構件的彎矩、軸力等內力反應較小；縱向全固結體系則正好相反，由于塔梁全部固結導致了主梁縱漂振型消失，使得地震作用下的整體位移反應較小，而塔橋等構件的內力反應非常大。縱向部分固結體系是多塔斜拉橋特有的結構形式，其部分塔梁連接采用固結，其余部分采用自由。這種體系在地震作用下，全橋位移反應總體較小，塔梁連接自由的橋塔內力反應也較小，但是塔梁固結的橋塔內力反應則非常大[10]，因此，塔梁固結處的部分橋塔是這種縱向部分固結體系的抗震薄弱部位。

4)減震裝置對抗震性能影響。現階段多塔斜拉橋抗震性能的提高主要是通過在橋上配置減震裝置來實現的。其中，粘滯阻尼器是該橋型較為常用的減震裝置。粘滯阻尼器通過向結構提供額外的耗散地震輸入能量的能力來減小地震響應，其阻尼力主要取決于速度，對地震作用起耗能減震作用，因此，粘滯阻尼器常作為縱向約束裝置應用于多塔斜拉橋上，其改善結構抗震性能和消能減震效果明顯。已有研究表明，全漂浮體系采用粘滯阻尼器減震效果明顯更優；部分固結體系采用粘滯阻尼器能更為有效地控制截面內力和節點位移，從而達到減震效果；但采用粘滯阻尼器減震時，墩梁相對位移會被放大，在實際工程應用中，應合理控制其分布位置[9]。

4 結語

目前，多塔斜拉橋的發展趨于結構多樣化和輕型化。鋼斜拉橋質量輕、跨徑大，組合梁斜拉橋以及鋼管混凝土橋則是相對而言兼顧了輕質和經濟性的橋型，對于特大跨的斜拉橋，混合式的斜拉橋優勢較大[11]。然而，超大跨斜拉橋柔性橋面的抗災性能和高索塔的抗震問題亟待解決；多塔斜拉橋總體布置的發展也存在許多技術難題，主要包括：結構體系與力學性能問題、外力作用(風載)下的空氣靜力扭轉發散和側向彎扭屈問題、連續多跨的剛度問題、超深基礎和超高索塔的結構形式和施工技術問題、拉索體系以及錨碇技術的研究。與此同時，施工難易程度和造價也是重要的限制因素，因此，施工技術的研究和施工過程中的控制系統的完善優化，可使多塔斜拉橋的建設將具有高度智能化、信息化和遠距離控制等特征。

多塔斜拉橋目前風靡世界，代表了橋梁建設的新方向。由于多塔斜拉結構型式優點突出，性能優越，不但在跨江跨海大橋中采用，而且在鐵路、公路、水利水電、民用中也能廣泛應用，這也決定了它有巨大發展潛力。本文通過對國內外已建或在建多塔斜拉橋的介紹，對多塔斜拉橋結構體系剛度和抗震性能進行了簡明扼要的綜述，對多塔斜拉橋結構體系抗震減震問題進行了簡要的分析討論，可為今后此橋型的發展應用提供參考。

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[5] 喻 梅,李 喬,廖海黎,等.輔助墩對多塔斜拉橋力學行為的影響[J].世界橋梁,2010(3):36-39.

[6] 李江龍.輔助墩對大跨度斜拉橋活載和動力響應的影響[J].特種結構，2012(3)：78-80.

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[11] 鄧小康,彭 蓉,李永明.斜拉橋的極限跨徑分析[J].西部交通科技,2016(7)：32.

The research progress review of stiffness and seismic performance of multi pylon cable-stayed bridge structure system

Ji Yang Geng Fangfang Sha Xiang Shi Guoqing Liu Dandan

(ArchitecturalEngineeringSchool,NanjingInstituteofTechnology,Nanjing211167,China)

This paper summarized the application of multi pylon cable-stayed bridge at home and abroad, from the bridge span arrangement optimization, side span setting auxiliary pier, increasing stiffened cable in tower, using rigid pylon, using rigid hinge five aspects, analyzed the research progress of multi pylon cable-stayed bridge stiffness, and introduced the research progress of its seismic performance, provided reference for future similar engineering.

multi pylon cable-stayed bridge, side span, rigid hinge, damping device

1009-6825(2017)18-0167-03

2017-04-17

季 陽(1996- )，男，在讀本科生; 耿方方(1983- )，女，博士，講師; 沙 祥(1997- )，男，在讀本科生

U448.4

A