超高墩斜拉桥地震反应分析及抗震措施研究

邓祖龙

（中国铁建股份有限公司华中区域总部，南京 211899）

1 引言

我国西部地区地形地貌多变， 桥梁不可避免要跨越山区峡谷，斜拉桥作为一种大跨度桥式结构，在200～700 m 跨度范围具有较强的竞争优势。 山区斜拉桥具有塔高和墩高的特点，如法国米约高架桥[1]最高桥墩245 m、我国湖南赤石大桥[2]最大墩高178 m。 由于山区地形起伏较大，桥跨也呈现出桥墩和桥塔高度和刚度差异。 目前，我国学者对高墩斜拉桥地震反应分析进行了大量研究。李立峰等[3]对高墩多塔斜拉桥纵向约束体系进行了研究，结果表明固结和弹性-固结体系为比较合理的纵向约束体系；李龙[4]研究了高墩斜拉桥地震反应，重点分析了桥塔构造对结构抗震的影响。 然而不同构造形式的斜拉桥受力特点不尽相同，超高墩斜拉桥自振周期较长，高阶阵型对结构抗震性能产生较大影响，抗震设计更为复杂，同时高低墩差异会对结构抗震性能带来不利影响。 因此，进一步研究超高墩斜拉桥的抗震性能具有重要意义。

本文以山区某超高墩双塔斜拉桥为研究背景， 建立全桥动力有限元模型， 研究高墩斜拉桥在两种设防水准下的抗震性能，并根据结构动力响应对墩、塔及桩基截面进行验算，提出适用于该桥型的合理有效的抗震措施， 为今后同类桥梁的抗震设计提供参考。

2 工程背景

该山区超高墩双塔斜拉桥桥跨布置如图1a 所示，主桥采用200 m+400 m+200 m 组合梁斜拉桥， 主梁由外设挑臂钢箱梁+混凝土桥面板组成钢箱组合截面，钢箱梁梁高3.22 m、宽7 m，混凝土桥面板厚28 cm，桥面宽31.5 m，双向6 车道，桥面布置如图1b 所示。 桥塔采用纵桥向人字形索塔，小里程侧塔墩高76 m，下塔柱94.6 m，桥面以上塔高109.4 m；大里程侧塔墩高86 m，下塔柱98.6 m，桥面以上塔高109.4 m，截面为内八角形箱形截面，外设圆倒角，桥塔构造如图1c 所示。 斜拉索采用1860 钢绞线拉索，最大规格为OVM250-85，最小规格为OVM250-34。 基础采用30 根桩径3.0 m 的钻孔桩。 桥梁结构体系为塔梁固结体系。

图1 桥梁总体布置及结构构造(单位：cm)

3 地震反应分析

3.1 动力模型

主桥桥址处于Ⅱ类场地，基本地震动峰值加速度为0.05g，地震动加速度反应谱特征周期为0.45 s，地震基本烈度为Ⅵ度。以阻尼比为3%时50 年10%（设计地震作用）和50 年2%（罕遇地震作用）的加速度反应谱为目标谱，拟合不同设计水准下的3条人工地震波，规范谱和地震动加速度谱如图2 所示。

图2 地震动加速度谱（阻尼比3%）

全桥有限元动力分析模型如图3 所示， 采用六弹簧模型模拟各群桩基础的影响。 桥梁结构体系为塔梁固结体系，在进行动力特性分析和设计地震分析时，边墩支座纵向自由滑动、横向一侧固定；罕遇地震分析时，考虑边墩横向固定支座剪坏。

3.2 结构动力特性

结构动力分析结果见表1。 结果表明，主桥一阶振型为主梁纵飘带动桥塔纵向弯曲振动，自振周期4.980 s；二阶阵型为主梁带动桥塔对称横弯， 周期为4.950 s， 与一阶阵型较为接近，地震发生时第一、二阶阵型的贡献均较大；第三阶阵型为主梁及桥塔横向反对称振动。

表1 主桥结构动力特性

桥梁结构的基本周期为4.980 s， 而设计反应谱的最长周期为6 s，已包含了所需的长周期成分。

3.3 地震反应分析

按照两阶段设防，分别输入设计地震作用（50 年内超越概率为10%）和罕遇地震作用（50 年内超越概率为2%）的场地加速度反应谱，对结构进行反应谱分析，取前800 阶振型，按CQC 方法进行组合。地震输入采用两种方式：（1）纵向＋竖向；（2）横向＋竖向。 竖向地震作用均取相应水平地震动的2/3，方向组合采用SRSS 方法。

3.3.1 结构位移响应

在设计地震及罕遇地震作用沿“纵桥向+ 竖向”和“横桥向+ 竖向”方向输入下，主桥关键节点位移见表2。 设计地震横向输入时，过渡墩P4、P7 处的支座设有横向固定支座，最大横向剪力分别为1 820.22 kN、2 785.37 kN； 罕遇地震作用下，边墩横向固定支座剪断，梁端横向最大位移为366 mm。

表2 主桥关键节点的位移最不利响应

3.3.2 内力响应及截面抗震验算

在设计地震及罕遇地震作用沿“纵桥向+ 竖向”和“横桥向+竖向”方向输入下，分别得到主桥各桥墩和索塔控制截面内力反应。 建立纤维单元模型，根据在恒载和地震作用下的轴力组合对主桥各桥墩、 桥塔的最不利控制截面进行M-φ 分析，得出各控制截面的初始屈服弯矩和等效屈服弯矩，进行结构的抗震性能验算。

在设计地震横桥向+ 竖向输入下结构响应控制设计，该工况下桥塔及桥墩各关键截面验算结果见表3。 结果表明，设计地震作用下，控制截面地震弯矩小于其初始屈服弯矩，截面保持为弹性工作状态，满足预期要求，同时能够发现矮墩墩底截面相较于边墩P4 更为不利。

表3 设计地震作用下墩塔各关键截面抗震验算结果(横向+竖向输入)

3.4 抗震措施研究

本桥设计采用了顺桥向人字形桥塔、塔梁固结体系，提高了结构的整体刚度。 通过抗震分析，在罕遇地震下，边墩横向固定支座剪断，梁端横向最大位移为366 mm。 为保证桥梁结构的安全性，宜在边墩设置横向限位或阻尼装置[5]，主要抗震措施如下。

3.4.1 设置抗震挡块

挡块是一种最常见的横向限位装置。众多学者[6]分析了挡块对斜拉桥地震响应的影响，研究表明，通过设置挡块可以阻挡主梁发生过大的横向变形，降低落梁风险，有助于震后修复。 适当增加挡块强度可以提高限位能力，减小墩顶残余变形。

3.4.2 设置E 型钢阻尼器

E 型钢阻尼器不仅有减震耗能功能而且可以同时兼作横向挡块。在墩顶设置横向E 型钢阻尼器，在罕遇设计地震中支座横向剪断，E 型钢阻尼器发挥作用，图4 为本桥罕遇地震下主梁横向位移时程曲线，最大变形14 cm。该体系下，主桥所有墩柱、桥塔和基础验算截面地震弯矩小于其等效屈服弯矩，截面基本保持为弹性工作状态，满足预期性能目标要求。

图4 主梁横向位移时程曲线

4 结论及建议

1）动力分析结果表明，主桥一阶振型为主梁纵飘带动桥塔纵向弯曲振动，自振周期4.980 s；二阶阵型为主梁带动桥塔对称横弯，周期为4.950 s，与一阶阵型较为接近，地震发生时第一、二阶阵型的贡献均较大，设计也应考虑高阶阵型对结构地震响应的影响。

2）设计地震作用下，主桥所有墩柱、桥塔截面、桩基地震弯矩小于其初始屈服弯矩，截面保持为弹性工作状态；罕遇地震作用下控制截面地震弯矩小于其等效屈服弯矩， 截面基本保持为弹性工作状态，满足预期性能目标要求。

3）针对罕遇地震下主梁横向变形大问题，提出了设置抗震挡块或E 型钢阻尼器两种抗震措施，在低烈度地区，两种限位措施均可，混凝土挡块设计成本低，在抗震设计中应用较为广泛。 但对于高烈度地区桥梁，为满足功能要求，需提高抗震挡块的强度， 挡块强度的提高可能会增大桥墩的地震内力响应，对结构抗震产生不利影响。