H型斜拉橋橋塔橫橋向結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)與分析

徐艷 嵇冬冰 王瑞龍

摘要：

在工程實(shí)際中，通常需要在滿(mǎn)足靜力需求的基礎(chǔ)上大幅提高塔底和橫梁截面的配筋率來(lái)滿(mǎn)足斜拉橋橋塔在罕遇地震作用下既定的性能目標(biāo)，這種做法不僅不夠經(jīng)濟(jì)，同時(shí)也增加了下部樁基礎(chǔ)的抗震需求。通過(guò)對(duì)H型橋塔斜拉橋橋塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行研究，探討了斜拉橋橋塔上橫梁位置、塔柱橫梁剛度比、上橫梁與塔柱的約束條件以及橋塔上橫梁進(jìn)入塑性的程度對(duì)斜拉橋橋塔橫橋向地震響應(yīng)的影響。結(jié)果表明：斜拉橋橋塔上橫梁位置變化、橫梁剛度變化以及考慮上橫梁的屈服耗能均能改變橋塔橫橋向的地震響應(yīng)，但結(jié)果并不顯著，而改變上橫梁與塔柱的約束條件能顯著降低橋塔的橫橋向地震需求。

關(guān)鍵詞：

斜拉橋；橋塔；橫橋向；抗震分析；抗震設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：

TU3521；U4425

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：16744764（2014）06000107

作為最為廣泛使用的大跨度橋型之一，斜拉橋的建設(shè)一般周期較長(zhǎng)，工程投資也較大。其主要承重結(jié)構(gòu)的主塔一旦出現(xiàn)較為嚴(yán)重的損傷，震后修復(fù)比較困難，因而目前大部分已建斜拉橋即使在罕遇地震作用下也要求基本保持彈性[1]。基于安全考慮，歐洲規(guī)范[2]要求，在設(shè)計(jì)地震作用下，斜拉橋橋塔保持彈性工作狀態(tài)。中國(guó)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]也規(guī)定在E2地震作用下，主塔等重要結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件可發(fā)生局部輕微的損傷，震后不需修復(fù)或簡(jiǎn)單修復(fù)可繼續(xù)使用。中國(guó)已建和在建的絕大部分大跨度斜拉橋在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)均滿(mǎn)足這一抗震性能目標(biāo)要求，在罕遇地震作用下橋塔基本保持彈性，如有塑性發(fā)生，也通常認(rèn)為是在邊墩或者輔助墩處[45]，其實(shí)在強(qiáng)震作用下，橋塔也有可能先于邊墩和輔助墩屈服[6]。但更重要的是，在斜拉橋抗震設(shè)計(jì)的工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，為滿(mǎn)足橋塔結(jié)構(gòu)保持基本彈性的性能目標(biāo)，通常滿(mǎn)足靜力需求的塔底截面需要大幅度增設(shè)縱向主筋來(lái)滿(mǎn)足罕遇地震需求，而在橫橋向由于框架效應(yīng)，除此之外橫梁的配筋率也要從滿(mǎn)足構(gòu)造要求的08%提高到15%左右；同時(shí)，該塔底截面彎矩及水平地震力將傳遞到下部基礎(chǔ)，使得對(duì)下部基礎(chǔ)的抗震要求也相應(yīng)提高了，顯然僅僅為滿(mǎn)足罕遇地震需求而幾乎翻倍地增加鋼筋用量對(duì)于橋塔和群樁基礎(chǔ)而言都相當(dāng)不經(jīng)濟(jì)。另一方面，已有學(xué)者對(duì)斜拉橋、懸索橋的橋塔進(jìn)行了大量的彈塑性理論分析[712]，在近年來(lái)新建的一些大跨度橋梁中有的通過(guò)塔身設(shè)置耗能構(gòu)件保證橋塔在強(qiáng)震下仍處于彈性狀態(tài)，如新奧克蘭海灣大橋[13]；有的在強(qiáng)震下允許橋塔進(jìn)入塑性，在一定程度上利用橋塔的塑性能力，如Tacoma橋[14]和Rionantirion橋[15]，這些都是對(duì)大跨度斜拉橋抗震設(shè)計(jì)的有益促進(jìn)和嘗試。

徐艷，等：H型斜拉橋橋塔橫橋向結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)與分析

筆者通過(guò)對(duì)某中等跨度斜拉橋的H型混凝土橋塔設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行研究，探討了斜拉橋橋塔上橫梁位置、塔柱橫梁剛度比以及上橫梁與塔柱的約束條件對(duì)斜拉橋橋塔橫橋向地震響應(yīng)的影響，并分析橋塔上橫梁進(jìn)入塑性的程度對(duì)橋塔其他主要構(gòu)件地震反應(yīng)的影響，提出通過(guò)橋塔結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)降低橋塔的橫橋向地震需求的新思路。

1工程背景及計(jì)算模型

選用的工程背景是一座三跨鋼混凝土混合梁連續(xù)梁斜拉橋，主橋跨徑640 m，跨徑布置為130 m+380 m+130 m，橋面寬387 m。主梁采用流線(xiàn)型扁平封閉箱梁，主塔為“H”型混凝土塔，輔助墩、過(guò)渡墩均采用C40混凝土墩柱。其中，主塔墩號(hào)為M3和M4，輔助墩墩號(hào)為M2和M5，過(guò)渡墩墩號(hào)為M1和M6，總體布置及橋塔結(jié)構(gòu)如圖1、2所示。