獨塔斜拉橋縱向抗震設計研究

□文/劉 聰 王艷寧

獨塔斜拉橋作為一種常見橋型，在跨徑200 m 范圍內有一定的經(jīng)濟性，因此國內很多河流上的景觀橋梁選擇了獨塔斜拉橋；按塔、梁、墩結合方式，可分為漂浮體系、半漂浮體系、塔梁固結體系和剛構體系。從抗震角度分析，固結體系橋梁整體剛度大，自振周期短，地震位移小，但是對應于反應譜的平臺段或者下滑段較大值，因此地震力較大；而漂浮體系，結構整體剛度較小，自振周期長，對應反應譜周期下滑段較小值，但是地震位移較大[1～3]；兩者都不能很好地控制地震力或者位移；如何有效控制地震力和位移成為獨塔斜拉橋體系選擇的關鍵因素。

目前主梁和墩柱之間主要的連接裝置有兩種：一種是彈性索，可以增加橋梁的剛度并且將主梁的地震力往橋墩傳遞，減小橋塔受力；第二種是粘滯阻尼器，不改變結構的剛度，但是可以將主梁的地震力往橋墩傳遞，減小橋塔受力并且阻尼可以耗能，減小地震力。目前國內主要采用粘滯阻尼器，彈性索在獨塔斜拉橋上應用較少；在之前的工程案例中發(fā)生了單獨使用粘滯阻尼器在靜力作用下阻尼器被拉壞的現(xiàn)象。

某獨塔斜拉橋由于橋面較低，設置下橫梁橋塔受力不利，因此不設置下橫梁，在主梁下設置兩個橋墩立柱，立柱上放置支座和主梁連接。這種體系同常斜拉橋在抗震方面的區(qū)別主要表現(xiàn)在：常規(guī)斜拉橋的受力構件都是橋塔，設置裝置只是改變了主梁地震力從何種位置傳遞到橋塔，受力還是靠橋塔承擔；但是該橋因為設置了立柱，受力構件包括橋塔和立柱，兩者協(xié)同承擔地震力，這里面有一個地震力分配的問題。因此本次計算的主要目的是通過在立柱上采用不同的裝置，分析橋塔和立柱的地震受力，研究立柱和橋塔在滿足抗震需求的前提下協(xié)同受力問題。

1 工程概況

某獨塔斜拉橋主塔為弧線形混凝土塔；主梁為輕型疊合梁；拉索為平行鋼絲拉索，空間雙索面，扇形布置。為提高斜拉橋的結構剛度,有效降低活載作用下主梁撓度及塔頂水平位移，兩主跨均在距離過渡墩41 m 處設置了一個輔助墩，即主橋的跨徑布置為41 m+168 m+168 m+41 m。見圖1。

圖1 橋跨立面布置

2 動力模型建立

采用大型有限元程序，建立獨塔斜拉橋和部分引橋的空間動力計算模型，分析獨塔斜拉橋的縱向抗震性能。見圖2。

圖2 獨塔斜拉橋計算模型

斜拉橋主梁縱向全部約束，順橋向根據(jù)設置裝置的不同分成4種工況。見表1。

表1 4種工況連接裝置設置情況

3 地震動輸入

現(xiàn)階段多級設防的抗震設計思想已被廣泛接受。其中，兩水準設防、兩階段設計的抗震設計方法較為成熟。

根據(jù)提供的地震動參數(shù)，主橋場地E1地震動峰值加速度為135 cm/s2，E1地震反應譜特征周期為0.55 s；E2地震動峰值加速度為220 cm/s2，E2地震反應譜特征周期為0.60 s。E1和E2地震作用的加速度反應譜（阻尼比3%）計算如式(1)。豎向地震作用均取相應水平地震動的0.5倍。

式中：T為反應譜周期；Amax為峰值加速度；T0、Tg為反應譜拐點周期；S（T）為周期為T時的反應譜值；βm為阻尼比為3%時動力放大系數(shù)；γ為衰減指數(shù)。見表2。

表2 反應譜參數(shù)取值

4 結果分析

根據(jù)反應譜生成的一條人工地震波和兩條天然地震波作為地震動輸入，采用非線性時程分析方法進行分析，計算結果取包絡值，見表3-表5。

表3 不同工況下地震力結果對比

表4 不同工況下地震力減小率

表5 不同工況下地震位移結果對比 mm

以E1地震作用下工況1 為基礎看，橋塔的剪力和彎矩都比較大，工況2 橋塔剪力和彎矩都有一定程度的減小，工況3減震效果較好，工況4效果更好一些，但是和工況3相差不大；以工況1立柱的剪力和彎矩為基礎，工況2 剪力和彎矩大幅度增加，工況3 和工況4 增加一倍左右；工況1地震位移較大，工況2減小不少，但是仍然較大，E2地震作用下位移達到將近50 cm；工況3和工況4位移大幅度減小，但是結果基本一致。

計算結果表明采用粘滯阻尼器后立柱可以很好地分配橋塔的受力，雖然立柱受力有一定增加，但是立柱的能力較大，可以滿足抗震需求。同時采用粘滯阻尼器和彈性索計算結果同單獨使用粘滯阻尼器計算結果相差不大，說明減震作用主要來自粘滯阻尼器。該計算結果同國內雙塔斜拉橋的計算結果在地震位移的比較上比較相似，但是在減少橋塔地震力方面不同，本次計算組合使用阻尼器和彈性索同單獨使用阻尼器比較橋塔受力有所減小，主要原因還是結構不同，該橋塔設置了立柱，分配了橋塔的地震力。

5 結論

1）漂浮體系斜拉橋的地震位移和地震力都比較大，需要采用減隔震裝置，控制地震位移，減小地震力。

2）彈性索可以有效控制地震位移，但是減小地震力不明顯，甚至是增大地震力，不宜單獨使用。

3）粘滯阻尼器可以有效減小地震力和位移，是比較好的減隔震裝置。

4）聯(lián)合使用彈性索和粘滯阻尼器效果同單獨使用粘滯阻尼器相差不大，但是彈性索可以作為控制橋梁靜力狀況下的裝置，增加橋梁的穩(wěn)定性[4]。