斜拉橋的彈性約束減震研究

邱文亮 余報楚 方國強

（大連理工大學土木水利學院1） 大連 116024） （大連水產學院土木工程學院2） 大連 116023）

0 引 言

斜拉橋被廣泛應用于大跨度橋梁中，特別在500m左右的橋梁設計中，成為大跨度橋梁的主要橋型.大跨度斜拉橋采用的結構體系主要為飄浮和半飄浮體系，這種結構體系的優點是可以避免溫度、混凝土收縮產生巨大的索塔彎矩和主梁拉力，同時可以通過主梁的縱向飄移來減小地震力對索塔的作用.但是，如果斜拉橋采用完全無約束的飄浮體系，在地震力作用下，主梁會產生較大的縱向位移，可以達到幾十厘米，這將導致斜拉橋主橋和引橋主梁梁端之間相互碰撞，或導致梁體與橋臺之間碰撞，并且造成伸縮縫、支座等其他構件的破壞，過大的主梁位移也會產生很大的索根彎矩和塔頂位移.因此，飄浮體系斜拉橋必須采用合適的約束措施，以減小地震產生的主梁縱向位移.目前，斜拉橋縱向約束方法主要有彈性約束，阻尼器約束、鉛芯抗震支座等［1－3］.其中彈性約束減震是指在梁、塔之間設置彈性約束，通過改變結構的動力和能量傳遞路徑達到減震的目的，在國內外多個斜拉橋中獲得應用，同時彈性約束對抗風和抗制動力等有很好的效果［4－6］，筆者在研究中發現，彈性約束對不同斜拉橋的減震效果有著很大的差異，受斜拉橋結構形式、斜拉橋跨度、斜拉橋所處的場地類型等多種因素的影響，不能簡單的借鑒其他斜拉橋的彈性約束設計.本文對該問題進行了研究，得出了相關結論和規律可供同類斜拉橋抗震設計時參考.

1 工程背景及分析模型

1.1 工程背景

本文研究對象為吉林蘭旗松花江大橋斜拉橋，該橋為雙塔單索預應力混凝土斜拉橋，塔墩固結，塔梁分離，在塔處設支座支承主梁，跨度布置為102.5m＋240m＋102.5m，見圖1.該橋位于基本烈度7度區，由于該橋塔下橋墩高度較小，索塔受溫度和混凝土收縮徐變產生的彎矩較大，此時計入地震產生的巨大的塔底彎矩，索塔將無法設計.因此，采用合適的減震措施是該類橋梁抗震設計的重點，考慮到彈性約束具有經濟、性能穩定、后期維護費用少等優點，本橋采用了彈性約束抗震措施.同時，選擇某建成的450m跨度的預應力混凝土斜拉橋作為對比橋梁，進行分析研究，見圖2，以便得到更為普遍的結論.

圖1 吉林蘭旗松花江大橋（單位：m）

圖2 對比橋梁（單位：m）

1.2 分析模型及方法

上述斜拉橋動力分析模型采用脊梁模式模擬，主梁、索塔、橋墩及樁基礎均采用梁單元模擬，簡化時對質量分布作精確的模擬；拉索單元為索單元，并用等效彈性模量公式考慮拉索垂度對剛度的影響；采用節點彈性支承來模擬樁周圍土的約束作用，彈性剛度根據“m”法求得，在取用土層的比例系數m時，采用靜力計算的2倍以考慮動力的影響.

地震反應分析采用時程分析方法，地震波采用由人工地震波生成程序產生的擬合于規范反應譜的人工地震波［7－10］，分別對I～IV 類場地土生產10條人工地震波，最后給出地震反應分析結果為多條地震波地震反應的平均值.

2 彈性約束剛度及場地類別的影響分析

在飄浮和半飄浮體系斜拉橋的地震反應中，縱向地震力產生的主梁慣性力主要通過斜拉索傳遞到主塔，在塔梁之間設置抗震彈性約束后，地震力會通過斜拉索和彈性約束2個途徑傳遞給主塔，對于塔梁交結位置的橋塔彎矩來說，彈性約束傳遞內力的力臂小于斜拉索傳遞的力臂，使得塔梁交接處索塔彎矩明顯減小，同時減小了塔頂位移和主梁位移.但是，過大的塔梁之間約束剛度會使主梁以下橋墩受到地震產生的巨大水平力和彎矩，同時使結構受溫度、混凝土收縮徐變影響產生過大的附加內力，另外，過大的彈性約束在實橋設計時也難以實現.因此，對于給定橋梁，應綜合考慮多種因素，選擇合適的彈性約束剛度值.

本文研究了在不同場地類別情況下蘭旗大橋和對比橋梁的地震反應與彈性約束剛度的關系，地震反應包括塔梁交結處索塔彎矩、索塔墩底彎矩、塔頂位移、主梁位移、墩底剪力等，圖3～5給出了部分結果.針對蘭旗大橋橋位所處的II類場地，計算結果表明：

1）隨著縱向彈性約束剛度K的加大，塔梁交結處索塔彎矩Mt先減小再增大；如果選擇合適的彈性約束剛度，蘭旗大橋索塔彎矩可降低到無約束時的30%，對比橋梁索塔彎矩可降低到無約束時的37%.

2）縱向彈性約束剛度對索塔墩底彎矩Mp的影響與主梁以下墩高有關，隨著約束剛度的增大，對于墩高較小的蘭旗大橋，墩底的彎矩變化不大；而對于墩高較大的對比橋梁，墩底的彎矩有明顯的增大.

3）梁端位移db和塔頂位移會隨著彈性約束剛度的加大而減小，彈性剛度較小時，位移明顯下降，但彈性剛度增大到一定程度后，位移的下降趨勢已不明顯.

4）另外，縱向彈性約束的施加會導致墩底剪力大幅度增加.

圖3 塔梁交接處索塔彎矩

從圖中3～5可知，場地類別對彈性約束的減震效果影響很大，隨著場地類別從I類到IV類的遞增，塔梁交結位置的橋塔彎矩都是先下降再上升，但是場地類別越高上升的速度越快；場地類別越高，縱向彈性約束引起的墩底彎矩的增加越大；場地類別越高，塔頂位移下降的趨勢越緩，以至出現塔頂位移會上升；場地類別越高，梁端位移的下降趨勢越緩.

圖4 索塔墩底彎矩

圖5 主梁縱向位移

3 橋面以下索塔墩高對彈性約束減震效果的影響

對于大跨徑斜拉橋來說，一旦確定了主跨及邊跨的跨徑，橋面上的索塔高度就基本確定了，但是橋面以下墩的高度可能會因為路線線形及所處的地形條件的不同而變化較大，下面研究了基礎以上索塔高度與主跨跨度之比α對縱向彈性約束減震效果的影響，計算選取的高跨比α變化范圍為0.30～0.50，縱向彈性約束的剛度取為2×105kN／m，場地類別為II類.圖6～7分別給出了塔梁交接處索塔彎矩、主梁縱向位移與高跨比變化關系，其中圖中PM和Pd分別為彈性約束施加后塔梁交接處索塔彎矩和主梁縱向位移與彈性約束施加前的比值.

圖6 高跨比對塔梁交接處索塔彎矩的影響

圖7 高跨比對梁端縱向位移的影響

由分析結果可以看出：

1）對于跨度相對較小的蘭旗大橋，隨著高跨比α增大，彈性約束對塔梁交結位置的橋塔彎矩的減震效果變化較大，α小于0.42時，PM小于0.5，而α大于0.42后，PM迅速增大，以至于達到1.67.對于跨度相對較大的對比橋梁，隨著高跨比α增大，PM平緩減小，彈性約束對塔梁交結位置的橋塔彎矩的減震效果增加，即當PM小于1.0時，表示彈性約束具有減震作用.

2）對于蘭旗大橋和對比橋梁，隨著高跨比α增大，Pd也逐漸增大，即彈性約束對主梁縱向位移的減震效果變差.這主要是因為索塔的墩越高，墩的變形越大，從而導致主梁和塔頂位移增大.

4 結束語

通過吉林蘭旗松花江大橋和對比橋梁采用彈性約束的地震反應分析可知，對于飄浮和半飄浮體系斜拉橋，選擇在塔梁之間設置彈性約束作為抗震措施時，其減震效果受到多種因素的影響，選擇合適的彈性約束剛度，可以有效的減小塔梁交接處索塔彎矩和主梁位移，但對墩的剪力和墩底彎矩減小不明顯，甚至有較大的增加；場地土類別對施加彈性約束后的結構地震反應有顯著的影響，場地土類別越高，減震效果越差；對于跨度、墩高不同的斜拉橋，其采用彈性約束后的減震效果有較大的差異，如墩高越小，減震效果越好.因此，對于給定的斜拉橋，應首先確定該橋地震作用下的薄弱點，準確選擇場地類別和分析采用的地震波，通過詳細的分析來確定彈性約束剛度，以達到預想的減震控制效果，不能盲目地借鑒其他斜拉橋采用彈性減震約束措施.

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