獨(dú)塔斜拉橋縱向抗震設(shè)計(jì)研究

□文/劉 聰 王艷寧

獨(dú)塔斜拉橋作為一種常見(jiàn)橋型，在跨徑200 m 范圍內(nèi)有一定的經(jīng)濟(jì)性，因此國(guó)內(nèi)很多河流上的景觀橋梁選擇了獨(dú)塔斜拉橋；按塔、梁、墩結(jié)合方式，可分為漂浮體系、半漂浮體系、塔梁固結(jié)體系和剛構(gòu)體系。從抗震角度分析，固結(jié)體系橋梁整體剛度大，自振周期短，地震位移小，但是對(duì)應(yīng)于反應(yīng)譜的平臺(tái)段或者下滑段較大值，因此地震力較大；而漂浮體系，結(jié)構(gòu)整體剛度較小，自振周期長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)反應(yīng)譜周期下滑段較小值，但是地震位移較大[1～3]；兩者都不能很好地控制地震力或者位移；如何有效控制地震力和位移成為獨(dú)塔斜拉橋體系選擇的關(guān)鍵因素。

目前主梁和墩柱之間主要的連接裝置有兩種：一種是彈性索，可以增加橋梁的剛度并且將主梁的地震力往橋墩傳遞，減小橋塔受力；第二種是粘滯阻尼器，不改變結(jié)構(gòu)的剛度，但是可以將主梁的地震力往橋墩傳遞，減小橋塔受力并且阻尼可以耗能，減小地震力。目前國(guó)內(nèi)主要采用粘滯阻尼器，彈性索在獨(dú)塔斜拉橋上應(yīng)用較少；在之前的工程案例中發(fā)生了單獨(dú)使用粘滯阻尼器在靜力作用下阻尼器被拉壞的現(xiàn)象。

某獨(dú)塔斜拉橋由于橋面較低，設(shè)置下橫梁橋塔受力不利，因此不設(shè)置下橫梁，在主梁下設(shè)置兩個(gè)橋墩立柱，立柱上放置支座和主梁連接。這種體系同常斜拉橋在抗震方面的區(qū)別主要表現(xiàn)在：常規(guī)斜拉橋的受力構(gòu)件都是橋塔，設(shè)置裝置只是改變了主梁地震力從何種位置傳遞到橋塔，受力還是靠橋塔承擔(dān)；但是該橋因?yàn)樵O(shè)置了立柱，受力構(gòu)件包括橋塔和立柱，兩者協(xié)同承擔(dān)地震力，這里面有一個(gè)地震力分配的問(wèn)題。因此本次計(jì)算的主要目的是通過(guò)在立柱上采用不同的裝置，分析橋塔和立柱的地震受力，研究立柱和橋塔在滿(mǎn)足抗震需求的前提下協(xié)同受力問(wèn)題。

1 工程概況

某獨(dú)塔斜拉橋主塔為弧線(xiàn)形混凝土塔；主梁為輕型疊合梁；拉索為平行鋼絲拉索，空間雙索面，扇形布置。為提高斜拉橋的結(jié)構(gòu)剛度,有效降低活載作用下主梁撓度及塔頂水平位移，兩主跨均在距離過(guò)渡墩41 m 處設(shè)置了一個(gè)輔助墩，即主橋的跨徑布置為41 m+168 m+168 m+41 m。見(jiàn)圖1。

圖1 橋跨立面布置

2 動(dòng)力模型建立

采用大型有限元程序，建立獨(dú)塔斜拉橋和部分引橋的空間動(dòng)力計(jì)算模型，分析獨(dú)塔斜拉橋的縱向抗震性能。見(jiàn)圖2。

圖2 獨(dú)塔斜拉橋計(jì)算模型

斜拉橋主梁縱向全部約束，順橋向根據(jù)設(shè)置裝置的不同分成4種工況。見(jiàn)表1。

表1 4種工況連接裝置設(shè)置情況

3 地震動(dòng)輸入

現(xiàn)階段多級(jí)設(shè)防的抗震設(shè)計(jì)思想已被廣泛接受。其中，兩水準(zhǔn)設(shè)防、兩階段設(shè)計(jì)的抗震設(shè)計(jì)方法較為成熟。

根據(jù)提供的地震動(dòng)參數(shù)，主橋場(chǎng)地E1地震動(dòng)峰值加速度為135 cm/s2，E1地震反應(yīng)譜特征周期為0.55 s；E2地震動(dòng)峰值加速度為220 cm/s2，E2地震反應(yīng)譜特征周期為0.60 s。E1和E2地震作用的加速度反應(yīng)譜（阻尼比3%）計(jì)算如式(1)。豎向地震作用均取相應(yīng)水平地震動(dòng)的0.5倍。

式中：T為反應(yīng)譜周期；Amax為峰值加速度；T0、Tg為反應(yīng)譜拐點(diǎn)周期；S（T）為周期為T(mén)時(shí)的反應(yīng)譜值；βm為阻尼比為3%時(shí)動(dòng)力放大系數(shù)；γ為衰減指數(shù)。見(jiàn)表2。

表2 反應(yīng)譜參數(shù)取值

4 結(jié)果分析

根據(jù)反應(yīng)譜生成的一條人工地震波和兩條天然地震波作為地震動(dòng)輸入，采用非線(xiàn)性時(shí)程分析方法進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果取包絡(luò)值，見(jiàn)表3-表5。

表3 不同工況下地震力結(jié)果對(duì)比

表4 不同工況下地震力減小率

表5 不同工況下地震位移結(jié)果對(duì)比 mm

以E1地震作用下工況1 為基礎(chǔ)看，橋塔的剪力和彎矩都比較大，工況2 橋塔剪力和彎矩都有一定程度的減小，工況3減震效果較好，工況4效果更好一些，但是和工況3相差不大；以工況1立柱的剪力和彎矩為基礎(chǔ)，工況2 剪力和彎矩大幅度增加，工況3 和工況4 增加一倍左右；工況1地震位移較大，工況2減小不少，但是仍然較大，E2地震作用下位移達(dá)到將近50 cm；工況3和工況4位移大幅度減小，但是結(jié)果基本一致。

計(jì)算結(jié)果表明采用粘滯阻尼器后立柱可以很好地分配橋塔的受力，雖然立柱受力有一定增加，但是立柱的能力較大，可以滿(mǎn)足抗震需求。同時(shí)采用粘滯阻尼器和彈性索計(jì)算結(jié)果同單獨(dú)使用粘滯阻尼器計(jì)算結(jié)果相差不大，說(shuō)明減震作用主要來(lái)自粘滯阻尼器。該計(jì)算結(jié)果同國(guó)內(nèi)雙塔斜拉橋的計(jì)算結(jié)果在地震位移的比較上比較相似，但是在減少橋塔地震力方面不同，本次計(jì)算組合使用阻尼器和彈性索同單獨(dú)使用阻尼器比較橋塔受力有所減小，主要原因還是結(jié)構(gòu)不同，該橋塔設(shè)置了立柱，分配了橋塔的地震力。

5 結(jié)論

1）漂浮體系斜拉橋的地震位移和地震力都比較大，需要采用減隔震裝置，控制地震位移，減小地震力。

2）彈性索可以有效控制地震位移，但是減小地震力不明顯，甚至是增大地震力，不宜單獨(dú)使用。

3）粘滯阻尼器可以有效減小地震力和位移，是比較好的減隔震裝置。

4）聯(lián)合使用彈性索和粘滯阻尼器效果同單獨(dú)使用粘滯阻尼器相差不大，但是彈性索可以作為控制橋梁靜力狀況下的裝置，增加橋梁的穩(wěn)定性[4]。