H型斜拉橋橋塔橫橋向結構抗震設計與分析

徐艷 嵇冬冰 王瑞龍

摘要：

在工程實際中，通常需要在滿足靜力需求的基礎上大幅提高塔底和橫梁截面的配筋率來滿足斜拉橋橋塔在罕遇地震作用下既定的性能目標，這種做法不僅不夠經濟，同時也增加了下部樁基礎的抗震需求。通過對H型橋塔斜拉橋橋塔結構設計參數進行研究，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入塑性的程度對斜拉橋橋塔橫橋向地震響應的影響。結果表明：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，但結果并不顯著，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。

關鍵詞：

斜拉橋；橋塔；橫橋向；抗震分析；抗震設計

中圖分類號：

TU3521；U4425

文獻標志碼：A

文章編號：16744764（2014）06000107

作為最為廣泛使用的大跨度橋型之一，斜拉橋的建設一般周期較長，工程投資也較大。其主要承重結構的主塔一旦出現較為嚴重的損傷，震后修復比較困難，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，歐洲規范[2]要求，在設計地震作用下，斜拉橋橋塔保持彈性工作狀態。中國《城市橋梁抗震設計規范》[3]也規定在E2地震作用下，主塔等重要結構受力構件可發生局部輕微的損傷，震后不需修復或簡單修復可繼續使用。中國已建和在建的絕大部分大跨度斜拉橋在進行抗震設計時均滿足這一抗震性能目標要求，在罕遇地震作用下橋塔基本保持彈性，如有塑性發生，也通常認為是在邊墩或者輔助墩處[45]，其實在強震作用下，橋塔也有可能先于邊墩和輔助墩屈服[6]。但更重要的是，在斜拉橋抗震設計的工程實踐中發現，為滿足橋塔結構保持基本彈性的性能目標，通常滿足靜力需求的塔底截面需要大幅度增設縱向主筋來滿足罕遇地震需求，而在橫橋向由于框架效應，除此之外橫梁的配筋率也要從滿足構造要求的08%提高到15%左右；同時，該塔底截面彎矩及水平地震力將傳遞到下部基礎，使得對下部基礎的抗震要求也相應提高了，顯然僅僅為滿足罕遇地震需求而幾乎翻倍地增加鋼筋用量對于橋塔和群樁基礎而言都相當不經濟。另一方面，已有學者對斜拉橋、懸索橋的橋塔進行了大量的彈塑性理論分析[712]，在近年來新建的一些大跨度橋梁中有的通過塔身設置耗能構件保證橋塔在強震下仍處于彈性狀態，如新奧克蘭海灣大橋[13]；有的在強震下允許橋塔進入塑性，在一定程度上利用橋塔的塑性能力，如Tacoma橋[14]和Rionantirion橋[15]，這些都是對大跨度斜拉橋抗震設計的有益促進和嘗試。

徐艷，等：H型斜拉橋橋塔橫橋向結構抗震設計與分析

筆者通過對某中等跨度斜拉橋的H型混凝土橋塔設計參數進行研究，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斜拉橋橋塔橫橋向地震響應的影響，并分析橋塔上橫梁進入塑性的程度對橋塔其他主要構件地震反應的影響，提出通過橋塔結構參數的設計降低橋塔的橫橋向地震需求的新思路。

1工程背景及計算模型

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