采用拉索减震支座的大跨度斜拉桥抗震性能分析

柳春光，黄晶晶

(1.大连理工大学 建设工程学部， 辽宁 大连 116024；2.大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室， 辽宁 大连 116024)

随着桥梁工程的发展，大跨度柔性斜拉桥的抗震设计越来越受到重视。由于良好的减隔震效果[1-3]以及震后易修复、更换快，减隔震设计是现在抗震领域的热点问题。支座减隔震设计[4-5]具有上述减隔震设计的优点，自其发明以来，被广泛用于全世界的桥梁工程中，并取得了不错的效果。

减、隔震技术是利用减隔震装置减小输入上部结构的水平地震动、设置耗能装置耗散、吸收地震动能量，因而很大程度上减少桥梁的地震响应。减、隔震基本原理为[6]：(1) 通过在结构中设置具有整体复位功能的隔震层以降低结构刚度，减小结构自振频率，将上部结构和地震动隔离开来，从而减小传递到上部结构的地震能量，降低结构地震响应；(2) 在结构上配备消能减震装置，通过阻尼材料的大变形、摩擦耗能、弯曲等方式消耗地震能量从而减小由于刚度减小而导致的过大位移；(3) 减隔震装置具有足够的强度与刚度来满足正常使用极限状态下的水平承载能力。

铅芯橡胶支座、叠层橡胶类支座[7]、双曲面球型钢支座[8]。铅芯橡胶支座是应用很普遍的减隔震支座，通过铅芯的阻尼和橡胶的变形吸收并耗散地震能量，并且其滞回特性受水平加载方向影响不大，但其剪切强度受竖向承载影响较大，对多频地震波减隔震效果有限，且其自恢复性能随铅芯直径增大而减弱；叠层橡胶类支座有着足够大的竖向承载能力和竖向刚度，但其水平刚度很小，水平向容易产生较大变形，因而不能适用于大跨径桥梁；双曲面球型钢支座耗能性能稳定、自复位性能好，但是在地震作用下，容易使梁端产生竖向位移，因而在超静定结构中产生次生内力，不利于上部结构稳定。

本文使用了拉索减震支座[9]作为减隔震装置，并通过一座大跨度斜拉桥验证了其减隔震效果。这种支座一定程度上能够克服上述几种支座的缺点，在结构地震力与梁体位移[10]之间找到一个平衡。

1 工程概况

本文所研究的大跨度斜拉桥采用半漂浮体系，设计使用年限为120 a。图1是该桥桥型布置图。本桥为双塔钢箱梁截面桥，桥跨布置为(110+236+458+236+110)m，边中跨比例为0.515∶1。主梁高4.5 m，底宽21.2 m，顶宽33.8 m，主梁为挑壁翼缘板的扁平流线型钢箱梁。桥塔采用独柱式，采用H形框架结构，箱型断面，塔高180 m，上下塔柱分别高135 m、45 m，上下塔柱为空心矩形断面、倒角空心菱形断面，桥塔材料为钢筋混凝土，桥塔上部联结采用不锈钢材料。现浇混凝土承台，承台共计厚10 m，采用大直径桩基础复合群钢管桩，承台下设36根钻孔灌注桩，最大桩长118.8 m。斜拉索采用扇形式双索面布置，由φ7 mm平行钢丝索组成，根据索力大小可将斜拉索分为7种规格，总共有112根斜拉索。混凝土采用C50，钢材采用Q345qD钢。

图1斜拉桥桥型布置(单位：m)

2 有限元模型

2.1 建立模型

(1)

式中：Eeq为拉索的等效模量；r为斜拉索的重度；lc为拉索的水平投影长度；E为斜拉索的弹性模量；σ为斜拉索中的拉应力。

图2斜拉桥全桥有限元模型

2.2 地震波的输入

为考虑到结构地震动力分析中非线性因素的影响，根据《公路桥梁抗震设计细则》[14](JTG/T B02-01—2008)，宜采用时程分析法对此桥梁进行有限元动力分析。本文跟据该大桥场地地震安全性评估报告提供的相应设防标准和地震动参数得到该场地的设计反应谱，从而根据设计反应谱人工合成地震波，使人工波加速度时程的反应谱近似满足设计反应谱，进而进行地震动的输入。地震动的输入采用纵向+竖向的方式，竖向时程由《公路桥梁抗震设计细则》公式5.2.5可知，由水平时程乘以1/2得到。人工合成6条地震波，计算结果取6组结果的平均值。将地震波加速度峰值均调整为0.4g，阻尼比取5%，持续时间长为40 s。

图3是由场地条件得到的设计反应谱，图4列举了一条人工拟合地震波的地震反应谱，将此反应谱与输入的反应谱比较可知，二者拟合的比较好。

图3 设计反应谱

图4人工波反应谱和输入的反应谱比较

2.3 地震响应特征分析

为研究拉索减震支座的减隔震作用，并获得最佳的支座布置形式，设置以下4种工况并建立相应有限元模型。拉索减震支座的自由程均设置为50 mm，拉索的水平刚度3×105kN/m，分析斜拉桥纵桥向减震效果[15]。

工况1：过渡墩、辅助墩顶与桥塔处均设置普通盆式支座。

工况2：桥塔处安装拉索减震支座，过渡墩、辅助墩顶设置普通盆式支座。

工况3：桥塔处与辅助墩顶安装拉索减震支座，过渡墩顶设置普通盆式支座。

工况4：过渡墩、辅助墩顶与桥塔处均安装拉索减震支座。

表1为4种工况下过渡墩、辅助墩与桥塔纵桥向墩梁相对位移值。从表1中可以看出，在地震作用下，工况1墩梁相对位移较大，最大可达0.380 m；相比工况1，工况2墩梁相对位移在过渡墩、辅助墩与桥塔处有不同程度减小，桥塔处支座变形为0.086，纵桥向相对位移值减小最大可达72.5%，但是未使用拉索减震支座处相对位移依然较大；工况3桥塔与辅助墩处的纵桥向相对位移减小均可达70%以上，过渡墩处纵桥向相对位移依然较大；工况4全桥布置拉索减震支座，桥塔、桥墩处纵向相对位移均显著减小，均可达70%以上。由上述讨论可知，拉索减震支座限位作用明显，全桥采用拉索拉索减震支座可使所有支座纵桥向变形控制在90 mm以内，为使桥墩、桥塔处不产生过大纵向相对位移，采用全桥布置拉索减震支座的形式为宜。

2.4 工况1、工况4地震响应对比

图5展示了地震波作用下，工况1和工况4主梁位移时程变化。由图7可知，工况4主梁峰值位移为0.45 m，工况1主梁峰值位移为0.47 m，工况4情形下主梁纵桥向峰值位移有所削弱，表明拉索减震支座对主梁位移有一定束缚作用。

表1 各工况下桥梁墩梁纵桥向相对位移对比

图5主梁位移时程曲线图

图6、图7给出了1号过渡墩和2号辅助墩墩顶纵桥向位移时程图。由图可知，1号过渡墩在工况1和工况4下的墩顶纵桥向最大位移分别为0.34 m、0.41 m，2号辅助墩在工况1和工况4下的墩顶纵桥向最大位移分别为0.37 m、0.43 m，即相比于普通盆式支座，采用拉索减震支座后，墩顶位移最大值有所增大，这主要是因为当拉索减震支座变形超过其自由程时，拉索的限位作用显现，墩梁相对位移受到抑制，下部结构承受的惯性力因此增大，墩顶位移也因而增大。

图61号过渡墩墩顶纵桥向位移时程曲线图

图8、图9给出了两种工况下桥塔塔顶的纵桥向位移时程曲线图，工况4情形下3、4号桥塔塔顶纵桥向位移分别为0.59 m、0.60 m，工况1情形下3、4号桥塔塔顶纵桥向位移分别为0.56 m、0.58 m。由此可知，安装拉索减震以后，桥塔塔顶纵桥向位移略有增大。

图72号辅助墩墩顶纵桥向位移时程曲线图

图83号桥塔塔顶纵桥向位移时程图

图94号桥塔塔顶纵桥向位移时程图

图10、图11给出了两种工况下桥塔塔顶的纵桥向加速度时程曲线图，工况4情形下3、4号桥塔塔顶纵桥向最大加速度分别为12.618 m/s2、11.741 m/s2，工况1情形下3、4号桥塔塔顶纵桥向最大加速度分别为13.924 m/s2、12.188 m/s2。由此可知，安装拉索减震以后，桥塔塔顶纵桥向加速度有一定减小。

图12、图13给出了两种工况下S14、M14号拉索轴力时程曲线图。S14号拉索在工况1和工况4下的最大轴力分别为7.99×103kN、8.33×103kN；M14号拉索在工况1和工况4下的最大轴力分别为5.99×103kN、6.31×103kN。在工况4下，斜拉索轴力有所增加。这是因为在拉索减震支座拉索的限制下，桥塔承受更大剪力，发生更大变形，斜拉索轴力也因此增大。

图10 3号桥塔塔顶纵桥向加速度时程图

图114号桥塔塔顶纵桥向加速度时程图

表2为工况1、工况4模型桥塔塔底、墩底纵桥向地震内力值，从表2中可以看出，采用拉索减震支座的工况桥塔、墩底受力情况较采用普通盆式支座为大。其中桥塔塔底剪力、弯矩增加幅度最大，剪力增幅最大达52.6%，弯矩增幅最大达88.7%，过渡墩、辅助墩剪力和弯矩值也有较大程度的增长。这是由于地震作用下，拉索减震支座变形超过其自由程以后，拉索开始发挥限位作用，提供纵向约束，上部结构传递到桥塔、桥墩的地震力增大。

图12 S14号拉索轴力时程曲线图

图13M14号拉索轴力时程曲线

表2 工况1、工况4纵桥向桥塔和桥墩墩底地震内力对比

3 结 论

本文以某大跨度斜拉桥为背景，介绍了几种常见的减隔震支座的优缺点，并着重介绍了拉索减震支座，探讨了其在斜拉桥上的合理布置方式及其减隔震效果。可以得到以下结论：

(1) 采用拉索减震支座进行减隔震的大跨度斜拉桥，墩梁相对位移会明显减小，由文中4种工况墩梁相对位移情况可知，为使各桥塔、桥墩处墩梁相对位移不至于过大，宜全桥安装拉索减震支座。

(2) 安装拉索减震支座以后，会对梁端位移有一定束缚作用，墩梁相对位移明显减小，可将其控制在可接受范围内，从而有效避免落梁这种破坏性较大的震害发生。

(3) 桥塔塔顶纵桥向位移、斜拉索轴向力有一定程度增大，桥塔塔顶纵桥向加速度有所减小，桥塔、墩底地震内力均有不同程度增大。