高烈度地区大跨度斜拉桥合理抗震体系研究

冯英骥

【摘    要】：为探究高烈度地区斜拉桥的合理抗震体系，以实际工程为例，基于SAP2000软件建立桥梁有限元模型，对桥梁纵横向不同抗震体系进行详细探讨。结果表明：塔梁间纵向设置阻尼器体系可以有效降低主塔、桩基础及主梁的地震响应；塔梁间横向设置拉索支座体系可以很好地控制塔梁间相对位移并使主塔、桩基地震响应处于较低水平。

【关键词】：大跨度；斜拉桥；高烈度；抗震体系；地震响应

【中图分类号】：U448.27【文献标志码】：C【文章编号】：1008-3197（2023）03-35-04

【DOI编码】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.03.011

Research on Reasonable Seismic System of Long Span Cable-stayed Bridge

in High Intensity Area

FENG Yingji

（Tianjin Branch， Shanghai Urban Construction Design & Research Institute Group Co. Ltd.，Tianjin 300381， China）

【Abstract】：To investigate the reasonable seismic system of cable-stayed bridges in high intensity area， a finite element model of the bridge was established based on SAP2000 software， the paper takes actual project as an example， and conductes a detailed discussion on the different seismic systems of the bridge in longitudinal and transverse directions. The results show that the seismic response of the main tower， pile foundation and main beam can be effectively reduced by the longitudinal damper system between the tower and beam. The lateral installation of cable bearings system between the tower and beam can effectively control the relative displacement between the tower and beam， and the seismic response of the main tower and pile foundation can be kept at a low level.

【Key words】：long-span; cable-stayed bridge; high intensity; seismic system; seismic response

目前斜拉橋抗震体系仍处于研究阶段，我国的公路工程抗震设计规范和铁路工程抗震设计规范都只适用于主跨150 m以下的梁桥和拱桥，不适用于大跨度桥梁；国外绝大多数设计规范也只适用于中等跨径的普通桥梁，不适用于斜拉桥。作为大跨度桥梁中使用率较高的桥梁，国内外很多学者对斜拉桥约束体系进行了研究。沈星等[1～2]分析了采用黏滞流体阻尼器的横向约束体系对超大跨度斜拉桥地震反应的影响，研究重点包括阻尼器的合理设置方式及阻尼器参数对于减震控制效果的影响；李龙安等[3]提出了大跨度公铁两用斜拉桥选取不同的抗震体系的原则和方法，抗震体系的关键在主塔本身及其塔（墩）梁连接处；柳春光等[4]以某大跨度斜拉桥为背景，深入研究了拉索减震支座的应用，探讨了支座的最佳布置方式及减隔震效果；赵磊等[5]以2×1 500 m三塔斜拉桥设计方案为背景，研究不同横向约束结构体系对超大跨径三塔斜拉桥横向抗震性能的影响；李立峰等[6]研究了横向全限位体系、横向滑动体系及横向布置钢阻尼器的减隔震体系对斜拉桥横向地震响应的影响并分析了减隔震体系合理布置方案及钢阻尼器合理参数优化设计。

工程中应用常采用减隔震装置来提升桥梁抗震性能。桥梁减隔震装置种类众多，不同减隔震装置的减隔震机理不同，对桥梁结构减隔震性能的提升能力也各不相同；因此，对斜拉桥抗震体系分析研究还需进一步深化。

本文以潮汕环线高速公路榕江特大桥为工程背景，通过改变主桥塔（墩）梁连接处的连接方式，模拟桥梁纵横向不同约束体系，对比分析不同纵横向结构体系对桥梁地震响应的影响规律，提出一种合理的高烈度地区大跨度斜拉桥抗震体系。

1 工程概况

榕江特大桥是跨径为60 m+140 m+400 m+140 +60 m的双塔双索面半漂浮体系钢箱梁斜拉桥，采用带风嘴的扁平流线形钢箱梁截面，梁顶宽33.56 m（不计风嘴）、底板宽26.11 m、梁高3.5 m。索塔为钻石形结构，高146.9 m，包括下塔柱、中塔柱、上塔柱和下横梁，材料为C55混凝土。两边对称设置辅助墩、过渡墩，均采用矩形空心墩。

项目区地震基本烈度为Ⅷ度，地震动峰值加速度为0.20g，地震烈度高，峰值加速度大。根据大桥地震安全性评估报告提供的重现期475 a（E1 水平）和重现期 2 000 a（E2 水平）的两水平地震加速度时程曲线及JTG/T 2231-01—2020《公路桥梁抗震设计规范》，地震动输入考虑横向+竖向。本文主要针对纵横向抗震体系进行研究，选取E2地震输入，取3条波的结果最大值进行对比分析。见图1。

2 有限元模型及动力特性分析

采用SAP2000 Nonlinear有限元软件建立三维动力有限元模型，进行抗震性能分析，考虑主桥与相邻联的耦合振动影响，南北侧引桥各建立一联。模型均以顺桥向为X轴、横桥向为Y轴、竖向为Z轴；主桥主塔、主桥主梁、过渡墩、辅助墩及南北引桥均离散为空间梁单元，其中主桥主梁采用单梁式力学模型并通过主从约束同斜拉桥拉索形成“鱼骨式”模型；斜拉索采用空间桁架单元并考虑拉索垂度效应及恒载几何刚度的影响；各处基础采用m法模拟桩-土效应。见图2。

时程分析按照瑞利阻尼模型选取结构阻尼，其中瑞利阻尼的第一阶振型取结构的基本振型，第二阶振型取有效质量率最大的振型。结构动力特性分析中特征方程求解采用子空间迭代法，计算至500阶，每个方向的有效质量参与比均达到90%以上。

3 结构抗震体系研究

3.1 分析工况

在塔梁结合处分别采用纵向约束、纵向漂浮、纵向设置黏滞阻尼器（阻尼常数C=3 000、速度指数ξ=0.4）、纵向设置弹性约束（刚度k1=1×105 kN/m）的方式进行纵向地震响应分析；分别采用横向约束、横向放松、横向设置拉索支座（拉索刚度k2=13.5×104 kN/m、自由行程S=0.4 m）、横向设置弹性约束（刚度k3=1×103 kN/m）等方式进行横向地震响应分析。

3.2 纵向抗震体系

选取主塔塔底截面内力响应、主塔下桩基础顶部截面内力响应、主桥两侧梁端位移响应和塔顶位移响应4个指标，对不同纵向约束体系的抗震性能进行比较研究。

3.2.1 关键截面内力响应

不同约束体系中，阻尼器体系的塔底剪力和弯矩最小，仅为其他3种体系的约50%；纵向约束体系的塔底剪力和弯矩最大，纵向漂浮和弹性约束体系下塔底受力相差不大。因此，设置塔梁间纵向阻尼器对塔底剪力和弯矩有很好地改善。见图2。

不同约束体系中，桩顶内力响应相差较大。阻尼器体系的桩顶剪力最小，比其他体系小30%～45%；约束体系的桩顶剪力最大；阻尼体系和弹性约束体系的桩顶弯矩比其他体系小15%左右。见图3。

3.2.2 关键位置位移响应

不同约束体系的梁端和塔顶纵向位移相差较大。阻尼器体系的梁端和塔顶位移均较小，为0.34～0.4 m；约束体系的梁端位移最小，为0.28 m，但塔顶位移稍大；漂浮体系的位移最大，达到1.1 m左右。因此，对于梁端和塔顶位移响应而言，阻尼器体系最优。见图4。

3.3 横向抗震体系

选取主塔塔底截面内力响应、主塔下桩基础顶部截面内力响应及塔梁间橫向位移响应3个指标，对不同横向约束体系的抗震性能进行比较研究。

3.3.1 关键截面内力响应

不同约束体系中，拉索支座体系的塔底剪力最小，其次是约束体系，放松体系和弹性约束体系较大；拉索支座体系的塔底弯矩最小，比其他3种体系小8%左右。因此，设置塔梁间横向设置拉索支座体系对塔底剪力和弯矩有一定改善。见图5。

不同约束体系中，桩顶内力响应相差不大。约束体系和拉索支座体系的桩顶剪力和弯矩较小，放松体系和弹性约束体系较大，但整体变化幅度在10%以内。见图6。

3.3.2 关键位置位移响应

不同约束体系的塔梁间相对位移相差较大。拉索支座体系和横向约束体系的塔梁间相对位移较小，在0.5 m范围内，满足设计要求，放松体系与弹性约束体系的塔梁间相对位移较大，达到0.8 m以上。见图7。

4 结论

1）塔梁间纵向设置阻尼器可以有效降低主塔、桩基础及主梁的地震响应。

2）相比与放松体系和弹性约束体系，横向设置拉索支座可以很好地控制塔梁间相对位移；与其他3种横向束体系相比，拉索支座体系主塔、桩基础产生的地震响应相对较低。

参考文献：

[1]沈星，倪晓博，叶爱君.大跨度斜拉桥边墩横向抗震体系研究[J].中国公路学报，2016，29（11）：82-89+121.

[2]沈星，倪晓博，叶爱君.大跨度斜拉桥边墩新型横向钢阻尼器减震体系及设计方法[J]. 土木工程学报，2016，49（5）：110-119.

[3]李龙安，屈爱平，苗润池. 大跨度公铁两用斜拉桥抗震结构体系的选择[C].中国土木工程学会，中国工程院土木、水利与建筑工程学部，中国土木工程学术防灾减灾工程技术推广委员会，合肥工业大学.工程防震减灾新技术、新进展和新应用（下）.合肥工业大学出版社，2016：210-219.

[4]柳春光，黄晶晶. 采用拉索减震支座的大跨度斜拉桥抗震性能分析[J]. 水利与建筑工程学报， 2019，17（3）：172-176.

[5]赵磊，徐源庆，张精岳.超大跨径三塔斜拉桥横向抗震结构体系研究[J].公路交通科技（应用技术版），2020，16（4）：202-206.

[6]李立峰，尹会娜，唐嘉豪，等. 大跨径斜拉桥横向合理抗震体系研究[J]. 振动与冲击，2022，41（6）：153-159.