橫門西特大橋抗震分析及結構體系設計

李 燁

中交公路規劃設計院有限公司，北京 100086

1 工程概況

南中高速工程是連接粵港澳大灣區的便捷通道。其中，橫門西特大橋地處雞鴉、小欖水道交匯處，跨徑布置為（66+390+324+2×66）m，為獨塔雙索面半漂浮體系鋼箱梁斜拉橋。主梁采用扁平流線型整幅式鋼箱梁，斜拉索采用扇形布置，空間雙索面，在主梁兩側錨固。索塔采用花瓶型，塔柱斷面形狀考慮了結構受力需要和建筑景觀效果的要求。

項目地處珠江三角洲沉積區，均為第四系覆蓋。根據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306—2015）、《廣東省地震烈度區劃圖》，項目區地震基本烈度為Ⅶ度（地震動峰值加速度為0.10g），所在區域地震動峰值加速度系數為0.10，該地區地震抗震設防烈度為7度，場地土類型為軟弱土，建筑場地類別為Ⅲ類，屬抗震不利地段。

2 總體布置

主梁在主塔處設置2個雙向支座；在輔助墩處分別設置2個單向摩擦擺支座，橫橋向約束；在過渡墩處分別設置2個單向支座，橫橋向約束；在主塔處設置橫向抗風支座。為了改善結構動力性能，減少地震力、風力、車輛制動力對橋梁結構尤其是伸縮縫裝置的破壞，在梁與索塔支座墊石間設置縱向彈性索（共4對索）。

3 約束體系設計過程

獨塔斜拉橋由于剛度相對較低，地震相應比較復雜，需要建立動力分析模型，并考慮樁基對結構的影響[1]。結合反應譜分析和時程分析分別對結構進行計算校核[2]，并采取合理的減隔震措施，優化結構體系。采用三維梁單元建立總體模型進行抗震分析，采用土彈簧模擬樁基邊界[3]。

3.1 結構橫向約束體系設計

結構橫向約束體系設計計算分析模型如圖1所示。

圖1 計算分析模型示意圖

相比于靜力模型，時程模型中對土彈簧剛度需進行調整，土彈簧剛度依照m值法計算得到，根據抗震設計規范，一般取m動＝（2～3）m靜，在該項目中取m動＝2.5m靜進行計算。

斜拉橋下部抗震設計中，支座的選取是重點。先不考慮支座的減隔震作用，對輔助墩墩頂支座橫向固定、橫向活動兩種布置形式分別進行分析計算。考慮到邊界約束均為彈性約束，可采用反應譜法對結構內力進行匡算。

不考慮減隔震支座下的結構內力分析結果如表1所示（針對抗震專題所提供的幾條特征地震波均進行分析計算，表中僅列出分析結果最不利的地震波對應結果）。

表1 不考慮減隔震支座下的結構內力分析結果

由表1可知，單純采用球鋼支座，輔助墩處橫向固定，會導致輔助墩底橫向受力過大；輔助墩處橫向活動，會導致過渡墩底橫向受力過大。

因此，在輔助墩處需設置減隔震支座，確保在E2地震作用下，支座起到消能減震作用，在輔助墩分擔橫向受力的同時，確保輔助墩自身通過強度驗算。設計中，采用了摩擦擺支座，在靜力及E1地震作用下，支座近似為固定支座，在E2地震作用下，支座抗剪銷剪斷，支座橫向可動，通過控制摩擦擺支座等效半徑，可以控制過渡墩與輔助墩的受力分配，最終根據結構受力，選取合適的支座等效半徑。

此時，由于邊界約束變為非線性約束，采用時程計算分析結構在給定地震波下的位移、內力響應。考慮減隔震支座下的結構內力分析結果如表2所示。

表2 考慮減隔震支座下的結構內力分析結果

由表2可以看到，采用合適的摩擦擺支座，可以減小地震下上部結構的響應，并且有助于過渡墩、輔助墩共同參與受力，減小橋墩各自的內力。

根據上述時程計算結果，得到E2地震左右下支座的等效剛度近似為50000kN/m，并以此更新反應譜模型，對時程結果進行校核。結果顯示，反應譜計算結果與時程計算結果近似，但是部分構件內力值小于時程計算下的最大內力值。

3.2 結構縱向約束體系設計

與橫向約束體系類似，結構在縱向地震作用下，在索塔處直接將塔梁進行固定約束，將導致索塔塔底截面承載能力不足。但若在此處不進行順橋向約束，則在百年風作用下，主梁最大位移將大于1m，明顯不合理。因此，綜合考慮靜力、地震作用下的結構受力需要，順橋向采用在塔梁處設置縱向彈性索的方案限制主梁縱向位移。

同樣通過反應譜、時程計算，調整縱向索剛度進行試算，當選用共8束PES7-283l拉索，順橋向最大約束力為56000kN時，地震作用下最大順橋向位移約0.24m（針對抗震專題所提供的幾條特征地震波均進行分析計算，E2地震作用下結構縱向位移如表3所示，僅列出分析結果中兩條分別對應最大及最小位移量），與結構百年風作用下順橋向位移量相當，同時索塔結構受力滿足規范要求。

表3 E2地震作用下結構縱向位移 單位：m

成橋時在彈性索索力滿足結構承載力要求的同時，應確保在運營階段、地震作用下不松弛，因此選用共8束PES7-283拉索，其恒載下張拉力控制在約8000kN，可同時使拉索應力幅、強度滿足規范，且運營狀態恰好不松弛。

4 關于設計過程的討論

橫門西特大橋橫橋向約束體系過渡墩采用球鋼支座，輔助墩采用摩擦擺支座，在E2地震工況下，利用輔助墩與過渡墩共同參與結構受力，盡可能保持輔助墩及過渡墩都處于彈性工作狀態，確保特大橋結構安全。

橫門西特大橋縱橋向約束體系采用了彈性索限制縱向位移，將索塔在E2地震作用及百年風作用下的主梁縱向位移控制在一個較低的水平，同時利用相對于固定支座，彈性索剛度較小的特點，減小了索塔在地震作用下的結構響應，能確保結構安全。

橫門西結構體系設計過程中，有以下幾點值得注意：

（1）采用減隔振支座、彈性索等措施，可以切實有效地減小結構地震響應，優化結構尺寸。

（2）反應譜分析方法是基于彈性結構的分析方法，即便支座采用等效剛度，依然會和時程分析結果有所出入。

（3）反應譜分析結果并不一定比時程分析結果更不利，因此對于特大橋設計，尤其是受抗震控制設計的橋梁，時程分析不可省略。

（4）結構抗震計算中，應考慮到計算結果受地震波的選取影響較大，在設計過程應多考慮幾條獨立的地震波，同時結合反應譜結果、靜力計算結果綜合選取結構參數。

5 結束語

文章針對南中高速橫門西特大橋的建設條件及結構特點，合理選用支座類型、彈性索參數，無須設置額外的阻尼、特殊結構限位裝置，使得結構靜力性能、穩定性好，同時滿足運營、百年風、抗震等多工況下的結構受力需求。