大跨度斜拉橋主體結構的抗震設計與加固技術

方迎春

摘要：簡述了大跨度斜拉橋抗震設計理論，結合實際工程通過構建有限元模型、結構抗震體系比較和拉索減震支座的設計，詳細闡述了大跨度斜拉橋的抗震設計技術，進而敘述了大跨度斜拉橋抗震設計注意事項和大跨度斜拉橋加固技術，為建設大跨度斜拉橋提供了借鑒。

關鍵詞：大跨度斜拉橋；主體結構；抗震設計；加固技術

0? ?引言

大跨度斜拉橋工程在抗震設計和加固技術方面，是研究和改進的重點和難點。在工程技術人員的持續努力下雖然取得了諸多成果，但是目前仍然具有研究和改進的空間和必要性。基于此，本文重點研究大跨度斜拉橋的抗震設計與加固技術，旨在優化大跨度斜拉橋的結構組合方式、改善其結構組合狀態、提高其抗震性能。

1? ?大跨度斜拉橋抗震設計理論

1.1? ?抗震設計類別

1.1.1? ?概念設計

概念設計是提高大跨度斜拉橋抗震性能的重要方式，根據其主體結構的關系，確定行之有效的抗震措施，確保按照抗震設計方案建設的橋梁具有可靠的抗震性能。同時，大跨度斜拉橋抗震設計中的概念設計還可評估橋梁對地震的適應能力，結合當地的地震資料，確定可適應特定地震強度等級的橋梁抗震結構。經過概念設計，設計人員可以靈活優化大跨度斜拉橋的抗震設計方式，改進其抗震結構，提升其抗震設計方案的可行性[1]。

1.1.2? ?延性設計

延性設計的目的在于提高大跨度斜拉橋對地震的抵御能力，以免因地震作用導致其結構失穩甚至坍塌。設計人員做好大跨度斜拉橋的有效延性設計，有利于提升橋梁結構性能，發揮橋梁的延性特征，確保大跨度斜拉橋在地震作用下仍保持原狀。

地震對大跨度斜拉橋的破壞具有多樣性，但普遍具有運動破壞強于力學破壞的特點，因此需要將配筋設計作為大跨度斜拉橋延性設計的重點內容，增加配筋，從而提升橋梁的抗破壞性能，保證橋梁在設計使用年限內均保持穩定運行。在大跨度斜拉橋的延性設計中，還需評估設計數據的可行性，驗證橋梁抗震性能，必要時根據評估結果改進抗震設計方案。

1.1.3? ?減震隔震設計

減震隔震設計的目的在于使大跨度斜拉橋結構吸收地震波，使其在受到地震作用后仍保持穩定。大跨度斜拉橋的減震隔震設計重點在于三點：

一是保證橋墩柱受力均勻，依靠抗震性能的優勢保證橋梁在地震作用時的穩定性；二是精心設計阻尼器、支座伸縮縫等橋梁減震隔震裝置，在此類裝置和橋梁結構的共同作用下，提升橋梁的抗震性能；三是減震隔震設計時需考慮低頻分量的影響，根據該影響優化抗震設計方案，確保橋梁具有良好的減震隔震性能。

1.2? ?結構抗震體系分類

根據大跨度斜拉橋的結構特點和相關地震資料，提出3種結構抗震體系，如下所述。

1.2.1? ?固結體系

墩梁之間設置縱向滑動支座，包含單向支座、雙向支座和固定支座，并在主塔處采用塔梁固結。

1.2.2? ?半漂浮體系

塔梁、墩梁之間設置縱向滑動支座，支座形式與固結體系保持一致，并在主塔處設置縱向滑動支座。

1.2.3? ?彈性索體系

保留半漂浮體系的結構組成方式，區別之處是在塔梁之間設置抗拉強度為一定設計值的鋼絞線作為彈性索，用于優化主梁地震慣性力的傳力路徑。

2? ?針對實際工程的抗震設計

2.1? ?工程概況

某獨塔雙索面大跨度斜拉橋總長為827m，主橋全長為519m，橋面寬度為44.0m，跨度為89m+245m+185m。主塔塔身為水滴形橋塔，高度為146m，斜拉索為空間扇形雙索面形式。主梁采用混合梁，邊跨及主跨非索錨區采用混凝土箱梁，索錨區采用疊合梁，縱梁為梁高2.75m的箱形截面。混凝土梁的中支點梁高為8.0m，設計為變截面雙箱斷面。

2.2? ?構建有限元模型

2.2.1? ?建模方式

該大跨度斜拉橋建模軟件采用SAP2000有限元軟件，主梁、主塔、橋墩采用空間彈性梁單元模擬，結構自重通過賦予材料重度和截面面積實現，斜拉索采用梁單元模擬，垂度效應根據Ernst公式確定，釋放梁端彎矩。塔、墩基礎的樁與土相互作用采用空間六彈簧模型模擬，且均設置為群樁基礎。橋梁支座豎向按固定處理，滑動方向用雙線性理想彈塑性彈簧連接單元代表。該大跨度斜拉橋的有限元模型如圖1所示。

2.2.2? ?輸入地震動數值

該大跨度斜拉橋橋址處的地震烈度為Ⅷ度，50年2%超越概率水平地震動的特征周期為0.90s，地震動的加速度峰值為0.337g。根據場地地震安全性評價報告，其豎向地震動取水平地震動的0.65倍。

2.3? ?結構抗震體系比較

2.3.1? ?固結體系和半漂浮體系的缺陷

經過對該大跨度斜拉橋橋墩地震力、橋墩支座位移的對比分析可知，固結體系和半漂浮體系的橋墩墩底彎矩均較小，主梁位移較大，說明這2種體系在較強地震的作用下，橋梁的重要結構將受到嚴重的影響，存在較高的地震損壞風險。

橋墩是橋梁的重要受力構件，其穩定性直接影響全橋穩定狀態，但這2種體系在遇到較強地震作用時并不能充分發揮橋墩的抗震性能，顯然橋墩結構組成的固結體系和半漂浮體系不能滿足抗震需要。

2.3.2? ?彈性索體系的優勢

經過有拉索支座與無拉索支座的位移量對比可知，該大跨度斜拉橋對地震內力和位移控制，以彈性索體系的應用效果最好。采取彈性索體系設計的拉索減震支座，可由橋墩承擔一部分橋梁受到的地震力，能夠有效控制墩梁、塔梁位移現象，維持橋梁的良好受力狀態，提升橋墩的抗震性能。同時說明，拉索減震支座是該大跨度斜拉橋工程中應用效果最好的抗震設防策略[2]，可將彈性索體系應用于該橋梁工程中。有拉索支座與無拉索支座位移量對比如圖2所示。

分析圖2可知，5座橋墩有拉索支座的位移量降低至0.31～0.34m，5座橋墩有拉索支座的位移量比無拉索支座的位移量分別減少了15.8%、22.5%、13.9%、15.4%、10.5%。

2.4? ?拉索減震支座的設計

2.4.1? ?設計思路

該大跨度斜拉橋拉索減震支座充分保留球鋼支座受力穩定可靠的性能優勢，并聯合應用具有柔性、高強度特性的鋼絞線構成的綜合型拉索減震支座，可以取得良好的抗震效果。當橋梁遭遇地震時，球鋼支座的抗剪銷釘被剪斷，從而發生滑動并形成減震隔震體系，以減弱地震對橋梁結構的不良影響。配置的鋼絞線拉索裝置則有效穩固墩梁，避免其發生位移。

通過球鋼支座和鋼絞線拉索恢復力曲線的組合，形成拉索減震支座的恢復力模型。若支座位移小于拉索抗震支座的自由行程（u值），不發揮拉索的限位作用；否則將通過拉索限制抗震支座，達到維持抗震支座穩定性和減弱地震作用力的效果。

2.4.2? ?設計方案

在該大跨度斜拉橋的抗震設計中，拉索抗震支座的自由行程可根據下部結構的抗震性能做靈活調整。根據變化規律，該自由行程越小則地震位移越小、地震內力越大；該自由行程越大則地震位移越大、地震內力越大[3]。

為了強化該大跨度斜拉橋的抗震性能，將全橋支座均設置為彈性索減震支座。根據拉索減震支座設計思路進行參數分析后，決定將主橋拉索減震支座的自由行程設計為0.3m，以此來兼顧地震內力與位移的平衡關系。

3? ?大跨度斜拉橋抗震設計注意事項

3.1? ?優選設計方案

如果大跨度斜拉橋位于強地震地帶或者頻繁地震地帶，最好采用延性抗震和減震隔震相結合的設計方案來進行抗震設計，這樣的設計既有利于達到抗震的效果，也可節省造價。

采用減震隔震設計方案時，最好選用新工藝和新材料，避免發生地震時橋梁抗震效果達不到預期，必要時可通過反復實驗來研究、分析和驗證。如果出現抗震性能驗證不符合要求的情況，可采取相應的措施進行糾正甚至改變設計結構，然后再對調整后的抗震能力是否達標重新進行驗證，直到符合預期效果為止。

3.2? ?改進橋梁墩柱結構

可通過加強墩柱塑性區域配筋，保證橋墩結構能形成一個適當的塑性耗能構件，有效加強墩柱的延性。如果發生地震，墩柱配箍越多，其底部截面的塑性轉角就越大，非常有利于提高結構的安全性和可靠性。

設計橋梁墩柱的延性時，可利用墩柱的延性變形耗能這一特點，適當降低墩底的彎矩，使其塑性轉角限制在要求以下，這樣更有利于提高橋梁結構的安全性和經濟性。

3.3? ?改進橋梁上部結構

如果在大跨度橋梁設計中已經采用了簡支梁結構，則有必要對橋面進行必要的加固設計，這是為了確保橋梁結構的連續性。為保證橋梁上部結構及墩臺不發生相對位移，可通過設置防擋塊來達到此目的。設計者一定要在橋梁結構上慎重考慮，盡可能采用連續梁結構，減少對簡支梁結構的依賴程度。

4? ?大跨度斜拉橋加固技術

4.1? ?橋梁加固的重要性

在地震作用下，大跨度斜拉橋可能出現明顯震壞現象，其穩定性下降。若梁板受損，有可能誘發橋面斷裂、橋梁崩塌事故，嚴重時導致下部結構墩柱與支座斷裂。因此需要在做好抗震設計工作的同時，采取橋梁結構加固技術，確保橋梁結構在遇到地震作用時仍維持穩定。

4.2? ?橋梁鋼板加固

通過鋼板加固技術提高橋梁結構的剛度，控制橋梁中軸和加固范圍，避免橋梁結構因地震作用而出現明顯的裂痕。加固采用的鋼板應滿足材質可靠、尺寸合理、穩定等要求。

4.3? ?橋梁部件加固

先確定橋梁連接部位的伸縮性能并進行對比評價，判其斷伸縮性能是否達到技術要求。再根據評價結果采取合適的部件加固技術。橋梁部件加固后，其具有更好的穩定性，可避免因地震作用而發生位移，可縮小地震對橋梁結構的影響范圍，可避免出現傳遞性裂痕。

4.4? ?橋梁連接部件加固

大跨度斜拉橋的受力抗壓性能與連接部件的質量息息相關，妥善加固橋梁連接部件至關重要，經過充分的加固后，能夠避免連接部件位移、結構開裂等問題，有效提升橋梁的穩定性[4]。

5? ?結束語

綜上所述，在地震高烈度區域建設大跨度斜拉橋，為了有效控制地震作用下的主梁位移，不宜采用塔梁固結體系，宜將彈性索體系作為抗震設防體系。秉承橋梁抗震性能最佳化原則，本文所述大跨度斜拉橋工程實例采用拉索減震支座，可有效發揮橋墩的抗震性能，避免因地震作用而引起支座位移、主塔地震內力過高等問題。根據橋梁結構特點采取加固技術，可提升橋梁關鍵結構的穩定性，有效抵御地震災害。

參考文獻

[1] 曾輝.橋梁結構抗震設計與設防措施研究[J].工程建設與設計，2023（2）：99-101.

[3] 劉楚，文琰.橋梁抗震與抗風設計理念及設計方法研究[J].工程建設與設計，2022（7）：76-78.

[2] 劉偉慶，宋佳潤，李雪紅.大跨懸索橋吊索抗火性能與新防護結構研究[J].中國公路學報，2022，35（1）：222-237.

[4] 殷建強，周躍，洪亮，等.基于能力需求比法的矮墩大跨度PC連續梁橋延性和減隔震設計評價[J].中外公路，2021，41（5）：181-186.