银川滨河黄河大桥工程主桥结构体系研究

张德明

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

1 工程概况

银川滨河黄河大桥位于银川市兴庆区河滩新村南侧，西接北京路延伸工程，进而连接银川中心城区路网；东接滨河新区纬四路，有效融入新区主干路网。道路等级为双向6车道一级公路兼双向8车道城市快速路。

主桥桥型采用三塔组合梁自锚式悬索桥，跨径布置为（88+218+218+88）m=612 m，边中跨比为1/2.5（见图1）。采用双主缆，平行索面，中跨矢跨比为1/5，边跨垂跨比为1：12.9。组合梁全宽41.5 m，梁高3.854 5 m，钢梁采用纵横梁体系。吊索标准间距8.0 m。桥塔采用H型结构，塔柱为钢筋混凝土构件，横梁为预应力混凝土构件，矩形承台，钻孔灌注桩基础，中、边塔采用相同的结构形式及构造尺寸。边墩顶设有装饰塔，装饰塔内、锚固区范围内端横梁和主纵梁浇筑压重混凝土。

图1 总体布置图（单位：cm）

桥址地震基本烈度为Ⅷ度，桥梁抗震设防类别为A类，采用475 a地震重现期（E1地震作用）和2 475 a地震重现期（E2地震作用）两水平进行抗震设防。地震动加速度峰值分别为0.26 g和0.49 g。

2 三塔自锚式悬索桥特性

对于三塔悬索桥结构体系的选取，需重点关注全桥结构刚度、中塔顶鞍缆抗滑移安全系数及主塔强度。

自锚式悬索桥结构刚度依靠缆、梁组合体系，加劲梁截面尺寸一般较大。与三塔地锚式悬索桥相比，三塔自锚式悬索桥主梁承受的活载比重较大，且跨径相对较小，由活载产生的主缆不平衡水平力相对较小。另外，该工程加劲梁采用组合梁结构，相比钢梁更重，主缆拉力中恒载所占比例较大，即主缆内力恒活比大于钢梁悬索桥的恒活比，这对于鞍槽内主缆抗滑移是有利的。经计算分析，该工程跨径范围内，结构整体刚度及中边塔塔顶鞍缆抗滑移安全系数对结构体系不敏感，均满足要求。

因此，对该工程三塔自锚式悬索桥结构体系的研究主要关注主塔、边墩的受力情况。

3 纵横向比选结构体系

自锚式悬索桥加劲梁为压弯构件，从结构稳定性考虑，竖向一般设置支座，该工程各塔墩处均设置竖向球钢支座。

3.1 纵向结构体系

三塔自锚式悬索桥主缆对边塔的约束效应不如地锚式，边塔与梁的纵向连接形式对温度作用下边塔的受力影响较大；中塔与梁之间的纵向约束体系对结构静力响应影响不敏感，相比地锚式，应更多地关注地震工况下的连接形式。纵向主要考虑如下几种体系：

（1）漂浮：加劲梁在各塔墩处纵向漂浮。

（2）塔梁固定约束：加劲梁在中边塔支座纵向均固定或仅中塔支座纵向固定。

（3）弹性索约束：加劲梁在中边塔纵向均设置弹性索或仅中塔处设置弹性索。

（4）阻尼体系：加劲梁在中塔处设置粘滞阻尼器。

前三种约束形式可归结为弹性索体系，即漂浮时弹性刚度为0，固定约束时弹性刚度无穷大。

3.2 横向结构体系

悬索桥横向一般采用侧向抗风支座，该工程桥址处于高烈度区，需对结构横向合理抗震体系进行比选。考虑如下两种体系：

（1）固定约束：加劲梁桥塔处设置侧向抗风支座、边墩处设置横向固定支座。

（2）阻尼体系：加劲梁横向各塔墩处设置金属弹塑性阻尼器。

4 计算结果对比

中边塔设计采用相同的结构尺寸，为使中、边塔受力安全并尽量使控制工况内力相当，对上述结构体系进行分析。

采用Midas Civil建立结构空间有限元模型，考虑几何非线性的影响。主缆和吊杆采用索单元模拟，加劲梁、横梁、主塔、桥墩和桩基采用梁单元模拟。主缆与桥塔顶端、主缆锚固点与主梁末端采用主从约束，加劲梁在桥塔、过渡墩处限制竖向位移，塔底、过渡墩底固结。计算模型如图2所示。

图2 空间杆系计算模型

4.1 纵向结构体系比选

4.1.1 弹性索体系

4.1.1.1 加劲梁中、边塔处均设置弹性约束

对于三塔自锚式悬索桥，静力工况下，边塔由于受温度荷载的作用，相比中塔更为不利，且该工程主梁为组合梁，尚有收缩徐变的影响。

考虑温度荷载、地震作用，对纵向漂浮、塔梁固定约束及弹性索约束（中、边塔弹性刚度均为8 MN/m）进行分析，各塔底内力见表1所列。

表1 中、边塔处均设置弹性约束塔底内力一览表

从表1可以看出：塔梁纵向固定约束会显著提高塔底剪力；边塔设置弹性索会增大塔底温度力，故边塔处不适合设置纵向约束。

4.1.1.2 加劲梁中塔处设置弹性约束

考虑仅中塔设置弹性索（弹性刚度取8 MN/m、20 MN/m）或固定约束，边塔纵向自由的约束体系，分析结果见表2所列。

表2 中塔处设置弹性约束塔底内力一览表

从表2可以看出：仅中塔加弹性约束时，弹性刚度从0（漂浮）→8 MN/m→20 MN/m→固定约束，中塔地震力随刚度加大而增大，边塔地震内力则相反。可见弹性索约束可以改变惯性力传递途径，但弹性索不是耗能装置，不能减小惯性力。中塔加劲梁约束形式对边塔温度荷载影响很小。

4.1.2 阻尼体系

该工程桥址处于地震高烈度区，上述计算分析表明，纵向采用漂浮体系、塔梁固定约束体系、弹性索体系均不能有效地降低主塔地震力，地震工况控制主塔设计。为了降低主塔地震响应，结构纵向考虑设置粘滞阻尼器。

因纵向漂浮体系中，地震工况下边塔响应大于中塔，静力组合工况下（活载、温度荷载、收缩徐变等）边塔内力也大于中塔，因此，为兼顾中、边塔静动力响应，结构体系应在不影响静力受力的情况下，有效地降低边塔的地震响应。

考虑到结构受力特性、粘滞阻尼器耐久性，只在结构对称位置即中塔与主梁连接处设置四个纵向粘滞阻尼器，阻尼器的阻尼系数C取2 500，速度指数α取0.3。结构阻尼体系地震响应见表3所列（同时列出漂浮体系的结构响应）。

表3 中塔处设置粘滞阻尼器结构响应一览表

从表3可以看出：采用阻尼体系可以显著减小边塔地震弯矩及梁端位移。

纵向采用阻尼体系后，该工程中塔由地震工况控制设计，边塔地震内力相比中塔小，主要由静力组合工况控制设计。中、边塔设计采用相同的结构形式及构造尺寸，控制工况下结构强度验算安全系数相当。

4.2 横向结构体系

4.2.1 固定约束体系

自锚式悬索桥横桥向由地震工况控制设计，塔梁、墩梁间一般采用固定约束体系。采用此体系结构横向地震反应见表4所列。

表4 横向固定约束体系结构地震响应一览表

计算表明，墩、梁横向固定体系会使边墩及其基础承受很大的地震力，对横向固定支座或挡块的抗剪能力提出了很高的要求。对于下塔柱较矮的自锚式悬索桥，过渡墩及其基础的抗震问题更加突出。另外，对于三塔四跨自锚式悬索桥，在地震作用下，中塔比边塔承受更多的梁体惯性力，中塔底弯矩是边塔底弯矩的1.5倍左右。中塔的抗震问题也很突出。因此，必须进行塔墩梁间的合理横向约束体系研究。

4.2.2 阻尼体系

为了减小中塔、边墩及其基础的地震反应，可以考虑的一种简单方案是全桥横向放开，设置横向弹塑性阻尼器。在地震作用下通过弹塑性滞回耗能减小地震响应。该工程考虑横向设置新型金属阻尼器。

新型桥梁金属阻尼器采用三角形钢板为基本构件，在面外水平地震作用下沿高度范围内全截面屈服耗能，因此，这种金属阻尼器的滞回耗能能力和位移能力比较大。同时，新型桥梁金属阻尼器采用半球形传力键作为传力点，能够适应主梁复杂的变形，保证金属阻尼器在地震作用下传力路径明确。其构造如图3所示。弹塑性阻尼器的力学恢复力模型可以采用双线性模型。

图3 新型金属阻尼器构造示意图

在边墩、各桥塔横向加劲梁各设置两个屈服力为750 kN的金属阻尼器，全桥共计10个，结构地震响应见表5所列。

表5 横向阻尼体系结构地震响应一览表

计算表明，横向设置滑动支座加金属阻尼器的组合装置，可大幅减小中塔、边墩及其基础的地震内力，将墩、梁相对位移控制在合理范围内。

阻尼器的屈服力需要根据桥梁的具体抗震要求优化确定。为了保证桥梁的正常使用功能，滑动支座必须有特殊的限位构造（如具有明确薄弱面的抗剪螺栓等）限制运营时的横向位移，而当地震发生且横向力超过给定值时，限位构造被剪断，支座的横向限位约束被解除，变成正常的滑动支座。为了保证金属阻尼器的减震效果，支座限位构造的强度应小于金属阻尼器的屈服力。

该工程横向采用新型金属阻尼器替代传统的抗风支座，很好地解决了高烈度区大跨度桥梁横向抗震问题，首次对大跨度缆索承重桥梁横桥向塔、墩、梁的合理抗震连接方式进行创新应用（见图 4）。

图4 新型金属阻尼器之实景

5 结语

该工程桥址地震烈度为Ⅷ度，地震工况控制结构塔柱及基础设计。纵向弹性索体系不能解决控制工况结构响应问题；横向设置抗风支座的常规体系结构地震响应过大。考虑纵横向均设置阻尼器，通过阻尼体系的耗能、限位作用减小地震响应。综合比选，该工程采用的抗震结构体系为：

（1）纵桥向约束体系为：支座纵向活动，在中塔设置粘滞阻尼器耗能，以控制主梁位移和减小主塔底弯矩。

（2）横桥向约束体系为：支座横向活动，在各塔墩横向设置金属弹塑性阻尼器耗能，以控制主梁横向位移和塔墩底弯矩。横向金属阻尼器构造简单，传力机制明确可靠，而且能很好地适应纵向变形，应用于自锚式悬索桥取得了很好的横向减震效果。

（3）竖向设置球钢支座，一侧球钢支座横向设置给定剪断力的剪切销，在地震下剪断后变成普通滑动支座提供滞回耗能，而剪切销的剪断力由静力作用下的需求确定，金属弹塑性阻尼器的屈服力不应小于支座的剪断力。

银川滨河黄河大桥于2013年10月开工建设，2016年4月28日正式通车。