聯塔分幅組合梁斜拉橋抗震性能研究

高寶

（(浙江省交通規劃設計研究院，浙江 杭州 310006）

1 工程概況

寧波市繞城高速公路是寧波市高速公路規劃“一環五射”中的“一環”。其直接連接甬臺溫復線、同三高速公路、穿山疏港高速公路及舟山大陸連島工程，是杭州灣南岸高速公路網核心的一部分。甬江特大橋是寧波繞城公路東段項目的控制性工程，對于整個項目的順利建成具有決定性地位,甬江特大橋[1]按雙向八車道高速公路設計，設計速度為120 km/h，設計使用年限100 a，甬江特大橋位于寧波市區東部，連接北侖和鎮海，橋位距甬江出海口約10 km。主橋設計為54 m+166 m+468 m+166 m+54 m聯塔分幅四索面鋼混組合梁斜拉橋方案（見圖1），邊中跨比采用0.47，主梁為鋼混組合梁。

1.1 結構體系

甬江特大橋采用五跨連續半漂浮體系，空間密索型布置。索塔處設置一對豎向支座，縱向中跨側設置粘滯阻尼器，粘滯阻尼器對脈動風、剎車和地震引起的動荷載具有阻尼耗能作用，而對溫度和汽車引起的緩慢位移無約束，橫向設置抗風支座，用于抵抗風荷載及地震荷載作用下的主梁橫向變位。輔助墩和邊墩頂均設置豎向支座一對。輔助墩和邊墩頂除設置豎向支座外，橫向設置限位擋塊[1-3]。

1.2 主梁

主梁采用鋼梁與混凝土橋面板疊合梁，二者通過剪力釘相結合。鋼梁部分由縱梁、橫梁及小縱梁共同組成鋼梁格體系，其中：縱梁每12.0 m一個節段（錨跨為9.3 m），每間隔4.0 m設置一道橫梁（錨跨為3.1 m），每兩道橫梁之間設置一道小縱梁。橋面板采用分塊預制、現澆濕接縫連接的方式，其中橫向分為兩塊預制板，共三道縱向現澆縫。

1.3 索塔及基礎

索塔采用雙鉆石形聯塔形式，由上、下塔柱和橫梁、塔座以組成，其中上塔柱為錨索區塔柱，上、下塔柱在橫梁處合并為一體（見圖2）。橋塔總高度為141.5 m。橋塔順橋向塔柱寬度由塔頂7.0 m直線變化到塔底10.0 m。橫橋向塔頂寬9.0 m，上塔柱除左右幅兩塔聯結及上部二柱交會處，余均各寬4.0 m。下塔柱橫向寬度由4.0 m直線變化至塔底的6.0 m。塔柱采用箱形斷面，塔頂為7.0 m×9.0 m雙箱形斷面，上塔柱單柱為7.0 m×4.0 m～9.437 m×4.0 m單箱形斷面，設環向預應力鋼束平衡斜拉索在塔壁內產生的混凝土拉應力。

索塔基礎采用鉆孔灌注樁基礎，承臺呈矩形，承臺厚6 m，頂面高程2.0 m。鉆孔灌注樁直徑2.2 m，間距5.8 m，樁基按摩擦樁設計。

1.4 輔助墩、過渡墩及基礎

輔助墩和過渡墩的形式與索塔及全橋景觀協調一致，選擇矩形雙柱V形墩。實心墩柱截面尺寸為3.0 m×3.0 m～3.0 m×3.5 m。輔助墩與過渡墩采用分離基礎，墩身橫向分開設置。輔助墩與過渡墩承臺、墩身均采用C35混凝土。

圖1 橋型布置（單位：m）

圖2 雙磚石形橋塔構造（單位：cm）

1.5 場地條件

根據《甬江特大橋設計地震動參數專題研究報告》工程場地基本烈度為Ⅶ度。100 a 10%超越概率的工程場地水平加速度峰值為0.131g，100 a 3%超越概率對應水平加速度峰值為0.153g，豎向加速度取水平向的1/2，選取的場地水平加速時程曲線見圖3、圖4。

圖3 工程場地水平加速度時程曲線（5%阻尼比，100 a超越概率10%）

圖4 工程場地水平加速度時程曲線（5%阻尼比，100 a超越概率3%）

2 動力計算模型建立及動力特性分析

2.1 動力計算圖式

為準確求解該橋的動力特性，需建立空間三維模型，對實際結構進行模擬，盡可能使模型中的剛度、質量及邊界條件與實際相符。采用SAP2000 Nonlinear有限元程序，應用三維有限元模型分別建立非線性動力計算模型進行抗震性能分析，把主塔、主梁、橫隔梁、橋墩等均離散為空間梁單元，斜拉索用空間桁架單元模擬，并考慮拉索垂度效應以及恒載下初始幾何剛度影響，建立”魚骨式”分析模型（見圖5）。邊界條件模擬為：主塔及橋墩底采用空間彈性約束，主塔與主梁間采用橫橋向主從約束，橋墩與主梁間為豎向及橫橋向約束[4-6]。

圖5 全橋計算模型

2.2 動力特性分析

斜拉橋的動力特性分析是研究斜拉橋動力行為的基礎，其自振特性決定其動力反應的特性，對漂浮體系斜拉橋，縱漂振型常是最低的振型，并對橋梁的縱向地震反應的占主要貢獻；一階豎彎振型對橋梁的地震響應和抗風穩定性有較大的影響；一階側彎振型對橫行風荷載作用及橫向地震反應的影響較大；一階扭轉振型在橋梁的顫振中占主要成分，是影響橋梁空氣穩定性的主要因素；因此前幾階振型對斜拉橋結構的抗震性能具有重要意義。由于大跨度斜拉橋柔度比較大，所以振動周期長，固有頻率比較低。表1列出了結構的前8自振頻率及振型特點，可以看出橋梁的前8階振動頻率都在0.1～0.4 Hz之間，并且模態分布比較密集，結構多會出現耦合振動，如主梁縱漂與豎彎的耦合振動、主梁豎彎和扭轉的耦合振動等。

表1 結構自振頻率及相應振型對比

3 地震反應分析結果比較

針對非線性有限元模型，分別在100 a 10%（即P1概率）和100 a 3%（即P2概率）兩種超越概率下進行時程反應分析，非線性因素考慮兩種情況：第一種僅考慮縱向滑動支座摩擦力，其中動摩擦系數取0.02；第二種為同時考慮塔梁縱向粘滯阻尼器和縱向滑動支座摩擦力，其中阻尼器選用參數：阻尼常數C=2 000，阻尼指數ξ=0.2，阻尼器布置為每幅橋塔梁連接處設兩個阻尼器，全橋共計8個，其它縱向滑動支座動摩擦系數取0.02。

表2中列出了各工況下的塔頂及跨中主梁的位移反應峰值。可以看出，在縱向地震波輸入作用下，索塔和主梁的縱向位移反應比較明顯，體現了第一階縱漂振型對地震反應的貢獻比較大。在僅考慮滑動支座摩擦力因素下，P1概率對應的塔頂縱向位移峰值為0.4 m,主梁縱向位移峰值為0.361 m,二者數值比較接近，塔頂位移略大；而在P2概率下塔頂縱向位移峰值增大至0.72 m,主梁縱向位移峰值為0.708 m；塔梁間增設縱向粘滯阻尼器連接后，塔頂及主梁縱向位移均大幅降低，但主梁豎向位移變化不大，說明該粘滯阻尼器具有顯著的耗能效果，但具有顯著的方向性，即約束縱向變位，對其他方向變位基本無影響。

表2 縱向地震波輸入下索塔及主梁位移峰值

表3為地震反應下索塔關鍵截面及輔助墩、過渡墩墩底處的內力結果,從表中可以看出，不同于常規橋塔，聯塔分幅斜拉橋橋塔X連接(橫梁)處截面也是受力控制截面，主要受雙主梁反向縱飄振型產生的慣性力影響。當塔梁間增設縱向粘滯阻尼器連接后，P1概率下的索塔X連接 (橫梁)處縱向彎矩由585 747 kN·m降低至310 691 kN·m，塔柱底截面縱向彎矩由601 157 kN·m降低至287 710 kN·m，折減率約50%；P2概率下的主塔X連接(橫梁)處縱向彎矩由917 563 kN·m降低至605 954 kN·m，塔柱底截面縱向彎矩由927 727 kN·m降低至552 788 kN·m，折減率約30%；而兩種概率水準下，輔助墩、過渡墩墩底縱向彎矩雖有所降低，但變化較小，可以推斷出塔梁間的縱向粘滯阻尼對遠端的輔助墩及過渡墩影響較小。

表3 索塔及輔助墩、過渡墩控制截面的內力組合

表4為索塔及輔助墩及過渡墩樁基的最不利內力結果，從表中可以看出，塔梁間增設縱向粘滯阻尼器連接后，索塔基礎單樁最不利內力顯著降低，而輔助墩及過渡墩基礎變化不大，所反映出的規律與表3相似。

表4 最不利單樁頂內力

總體來看，安裝粘滯阻尼器對索塔、主梁的振動起到較好的抑振作用，其一方面起到耗能阻尼作用，另一方面改變了索塔與主梁之間的能量傳遞體系，原主梁縱向振動約束力主要由拉索體系提供，并由拉索反向施加于索塔上塔柱錨固區，增設粘滯阻尼器后，由于阻尼力的作用，一方面使主梁水平振動能量發生衰減，降低了主梁水平位移峰值，另一方面阻尼力反作用至索塔下橫梁處，改變了索塔承擔的水平振動力的位置與大小，也顯著改善了索塔塔柱及基礎受力。

4 抗震設防水準及性能驗算

橋梁抗震設計目標是減輕橋梁工程的地震破壞，減少經濟損失，既要使震前用于抗震設防的經濟投入不超過當前經濟能力，又要使地震中經過抗震設計的橋梁破壞程度在可承受范圍內。根據結構的重要性以及地震破壞后橋梁結構的修復（搶修）的難易程度，建議采用表5的設防標準進行抗震性能驗算。

表5 本橋抗震設防標準

構件的初始屈服彎矩為截面最外層鋼筋首次屈服（考慮相應軸力）時對應的彎矩，而等效屈服彎矩為根據截面M－φ分析（考慮相應軸力），把截面M－φ曲線等效為雙線性所得到得等效屈服彎矩。樁基控制截面驗算采用纖維單元，根據在恒載和地震作用下的軸力組合進行了M－φ分析，得出各控制截面的初始屈服彎矩及等效屈服彎矩，見表6，可作為檢驗樁基截面配筋的重要依據；經驗算，與其他主要荷載組合工況相比，樁基截面配筋設計受地震荷載工況控制。

表6 主塔及過渡墩、輔助墩樁基截面驗算（100 a 3%）

5 結論

（1）甬江特大橋作為全飄浮體系聯塔分幅斜拉橋，具有固有頻率比較低，模態分布比較密集的特點，尤其縱飄振型對橋梁的縱向地震反應起主要貢獻。不同于常規橋塔，聯塔分幅斜拉橋橋塔X連接（橫梁）處截面也是受力控制截面，主要受雙主梁反向縱飄振型產生的慣性力影響。

（2）塔梁間增設粘滯阻尼器連接后，塔頂及主梁縱向位移均大幅降低，但主梁豎向位移變化不大，該粘滯阻尼器耗能減震具有顯著的方向性，即主要影響縱向變位，對其它方向基本無影響。

（3）塔梁間增設粘滯阻尼器連接后，索塔塔柱各關鍵截面及基礎受力也有顯著改善，說明粘滯阻尼器對索塔、主梁的振動均起到較好的抑振作用，但對遠端的輔助墩及過渡墩及樁基影響較小。

（4）在常遇地震設防水準下，聯塔分幅斜拉橋主要構件均在彈性范圍內工作，在罕遇地震設防水準下，索塔、輔助墩及過渡墩柱及基礎可以出現裂縫，但不影響使用。綜合使全橋的抗震性能目標在經濟與安全之間得到較好平衡。