强震区混合梁独塔斜拉桥纵向抗震设计

何沁洲， 贺金海， 袁万城

(1. 广东保辉建筑工程有限公司， 广东 汕头 515041； 2. 同济大学 土木工程学院， 上海 200092)

受地形地貌等因素控制，独塔斜拉桥通常采用两跨不对称布置。这种不对称性，解决了工程设计中不对称跨越的需求。为适应这种结构不对称跨越要求，主梁一般采用混合梁形式。与传统斜拉桥相比，混合梁独塔斜拉桥在结构质量、刚度的分布上差异很大，不利于结构的抗震设防，尤其在强震区，结构的抗震能力是桥梁设计的重要控制因素。

斜拉桥按照塔、墩、梁的连接方式可分为漂浮体系、半漂浮体系、塔梁固结体系等。研究表明，斜拉桥的抗震性能与结构的约束体系密切相关，一般而言，漂浮、半漂浮体系为长周期结构，地震作用下主梁纵向位移大，主梁惯性力主要由主梁传递给斜拉索，再由斜拉索传递给主塔，主梁位移大，主塔截面内力较小；塔梁固结体系的结构刚度大，结构自振周期小，主梁位移较小，但是结构地震力往往较大，因此国内外的许多大跨度斜拉桥中提出了塔梁之间设置钢绞线弹性索，如广东汕头海湾大桥、日本名港中大桥；这种抗震设防体系中，结构自振周期得到适当延长，主梁的惯性力基本通过塔梁的弹性索连接处传递到主塔，传力点较低，可有效降低结构地震响应，若弹性索刚度选取得当，往往能够兼顾桥梁的强度和变形能力[1～4]。对于混合梁独塔斜拉桥，由于结构质量与刚度分布与一般斜拉桥的差异性，研究漂浮、半漂浮体系与设置弹性索的抗震体系的适用性具有重要的意义。

另一方面，对于混合梁独塔斜拉桥，在地震作用下，为避免上部结构传递到桥墩的惯性力过大，一般允许主墩、辅助墩以及过渡墩支座发生纵向滑动，但是这种自由滑动又导致上部结构传递至桥墩的惯性力较小，墩柱安全储备较高，墩柱抗力没有充分发挥，墩梁相对位移较大。而桥墩作为主要受力构件，应充分利用桥墩的抗震能力，合理分担主梁的水平惯性力，进一步约束梁体位移与主塔内力。拉索减震支座是一种基于“平衡结构地震力与梁体位移”矛盾的减隔震支座[5]，基于拉索减震支座的抗震能力优化，有利于提高全桥的整体抗震能力。

本文以汕头新津河大桥为背景，建立了有限元模型，对比研究了不同抗震体系下的结构地震响应，研究了基于拉索减震支座的全桥抗震性能优化。

1 工程概况

该桥上跨新津河，桥梁总长827 m，主桥采用桥跨布置为89+245+185 m的独塔双索面混合梁斜拉桥，全长519 m，桥面宽度为44.0 m。边跨设置1个辅助墩，斜拉索采用空间扇形双索面布置。主塔采用水滴形桥塔，主塔塔身高146 m。主梁采用混合梁，主梁索锚区采用叠合梁，边跨以及主跨非索锚区采用混凝土箱梁，叠合梁纵梁采用箱形截面，梁高2.75 m。混凝土梁采用变截面双箱断面，中支点梁高8.0 m，跨中梁高与叠合梁等高。

如图1中所示，P01，P05为过渡墩，P02为主墩，P03为主塔，P04为辅助墩。墩梁之间均设置支座，支座的具体布置方式如图2所示。全桥基础均采用桩基础，为钻孔灌注桩。

图1 全桥立面布置/m

图2 支座布置示意

2 有限元模型与结构体系

2.1 有限元模型

采用SAP2000通用有限元分析软件建立该斜拉桥有限元分析模型，如图3所示。其中主塔、主梁、桥墩均采用空间弹性梁单元模拟，考虑恒载轴力引起几何刚度的影响。主塔、主梁、桥墩自身重量通过赋予截面面积和材料重度来实现，桥面二期恒载等附加质量采用线质量方式加在主梁单元上。斜拉索采用梁单元模拟，释放梁端弯矩，运用Ernst公式考虑斜拉索的垂度效应。塔、墩基础为群桩，采用空间六弹簧模型模拟桩-土相互作用[6]。桥梁支座则根据支座类型采用不同的方式模拟，支座竖向按照固定处理，固定支座以及单向活动支座的非活动方向按照固定处理，支座的滑动方向采用座用双线性理想弹塑性弹簧连接单元代表，支座滑动力为支座摩擦力。

图3 斜拉桥有限元模型

2.2 拉索减震支座

拉索减震支座[7]是组合型创新支座，工程实践中球钢支座由于其稳定的受力性能而得到广泛应用，利用球钢支座的这一特点，结合了高强、柔性的钢丝绳，从而实现在桥梁结构遭遇地震时，固定或者单向型球钢支座的抗剪销钉剪断，支座发生滑动，结构体系变为减隔震体系，减小结构地震内力响应，并通过拉索装置限制墩梁位移[8]。

根据拉索减震支座的恢复力模型可由球钢支座和拉索的恢复力曲线组合而成。如图4所示，其中，K1为盆式支座的初始刚度；Fs为临界摩擦力，Fs=μN，μ为滑动摩擦系数，N为竖向压力；K2为拉索刚度；u为弹性拉索的松弛度。其中u值代表了拉索减震支座的自由行程，当支座位移小于u值时，拉索不发挥限位作用[9,10]。抗震设计中可根据下部结构抗震能力确定不同的u值，一般而言，u值越大地震位移越大，地震内力越小，反之亦然。

图4 拉索减震支座本构

2.3 结构抗震体系

为比较不同体系下结构的地震响应特点，本文提出了3种不同的抗震设防体系：

体系Ⅰ：固结体系，该体系下考虑塔梁固结，墩梁之间均设置(纵向)滑动支座，支座类型采用球形钢支座，包含固定支座、单向支座以及双向支座，如图2所示，其中P03塔处，采用塔梁固结。

体系Ⅱ：半飘浮体系，该抗震设防体系下，塔梁、墩梁之间均设置(纵向)滑动支座，支座类型采用球形钢支座，包含固定支座、单向支座以及双向支座，如图2所示，其中P03塔处，设置纵向滑动支座。

体系Ⅲ：弹性索体系，在体系Ⅱ基础上，塔梁之间设置弹性索，改变主梁地震惯性力的传力途径，弹性索采用高强钢绞线，抗拉强度设计值为1860 Mpa。

3 地震动输入

根据工程场地地震安全性评价报告，工程场地的地震烈度为Ⅷ度。桥址处50年2%(重现期2500年) 超越概率水平地震动的特征周期为0.90 s，根据场地地震安全性评价报告提供的地震动加速度时程(编号分别为E2-1，E2-2，E2-3)，地震动加速度峰值为0.337g[12]，考虑竖向地震动的影响，竖向地震动取水平地震动的0.65倍。图5为典型人工地振波与反应谱。

图5 典型人工地震波与反应谱

4 主桥地震反应特点

4.1 减震效果对比研究

按照CJJ 166-2011《城市桥梁抗震设计规范》[11]，采用3条地震波进行非线性时程分析，取计算结果的包络值作为地震响应的代表值进行分析比较，3种不同抗震设防体系下的结构地震响应如表1，2所示。

表1 不同体系的地震内力响应幅值(塔/墩底弯矩) kN·m

表2 不同体系的地震位移响应幅值(支座位移) m

比较分析上述计算结果，分析P03主塔地震内力与塔梁相对位移可知，固结体系下，主塔塔底弯矩远大于其它抗震体系，因此，高烈度区的抗震设计中应避免采用这种固结体系。对比半漂浮体系与弹性索体系，两者都能有效降低主塔地震内力，由于传力体系的不同，弹性索体系的地震内力与地震位移均小于半飘浮体系，因此弹性索体系相对于半飘浮体系是一个更优的抗震设防策略。

4.2 弹性索与拉索减震支座组合体系

比较分析地震下P01，P02，P04，P05桥墩地震力与桥墩支座位移可知：半飘浮体系与弹性索体系下，桥墩墩底弯矩均处于一个较小的水平，而主梁位移仍然较大；这种情况表明，在桥梁重要构件承受较大的地震损坏风险情况下，桥墩等主要受力构件并未有效发挥其地震抗力来抵抗地震力，从整体来考虑，这并非合理的选择。鉴于弹性索体系在地震内力与位移控制上的优越性，本文在弹性索体系的基础上，全桥支座均采用拉索减震支座。为兼顾地震内力与位移的平衡，经参数分析，新津河大桥中，主桥拉索减震支座自由程设置为0.3 m，优化结果如图6和表3所示。

图6 墩(塔)梁位移

表3 基于拉索减震支座的地震内力响应幅值(塔、墩底弯矩)kN·m

分析上述结果可知，采用拉索减震支座的情况下，在桥墩墩底弯矩提高到原来的1.66～1.95倍之间，墩柱内力呈明显但合理的增大，主塔弯矩降低为仅弹性索方案的0.96，塔底弯矩与墩(塔)梁相对位移也得到进一步降低，相对位移控制在0.31～0.32 m之间。分析表明，采用拉索支座合理发挥了桥墩的抗震能力，分担结构地震力，进一步控制墩梁、塔梁位移，是一个合理的抗震设防策略。

5 结 论

综合上述分析，本文结合一座独塔非对称斜拉桥的工程实例，分析比较了不同抗震设防体系，结果表明：

(1)高烈度区独塔斜拉桥，采用固结体系情况下，结构刚度大，主塔将承受较大的地震内力，应避免采用塔梁固结体系；

(2)半飘浮体系与弹性索体系均能有效降低斜拉桥主塔地震内力，由于传力模式的不同，半飘浮体系的主梁位移显著大于弹性索体系，后者是更优的抗震设防体系；

(3)拉索减震支座与弹性索组合体系可充分利用桥墩的抗震能力，分担地震灾害，进一步降低主塔地震内力与支座位移，有利于控制防落梁灾害与不良碰撞的发生，是一个合理的抗震策略。