基于主塔性能的自錨式懸索橋抗震措施

摘 要：以太原市某自錨式懸索橋為研究對象，采用空間非線性有限元法進(jìn)行模擬，研究其在地震作用下的響應(yīng)特性。分析結(jié)果表明，該橋的抗震設(shè)計控制因素在于主塔塔底在橫橋向地震力作用下的彎矩過大，就此提出了兩種抗震措施：采用粘滯阻尼器的減隔震方案；主塔下設(shè)置橫梁方案。通過分析比較，塔橫梁方案能夠較好的滿足抗震需求。

關(guān)鍵詞：懸索橋；獨(dú)塔；地震響應(yīng)；抗震措施

1.主橋的結(jié)構(gòu)概況

該項目橋梁設(shè)計道路等級為主干路，橋型為拱塔單塔自錨式懸索橋，孔徑布置為：（50+220+137+50）m，全長457m。塔處主梁采用漂浮體系；根據(jù)道路八車道斷面設(shè)置，主梁采用鋼箱梁，全寬46m，索塔全高135m；主纜鞍座設(shè)置在橋面以上90m處，220m跨大纜矢跨比采用1/12.5。

2.結(jié)構(gòu)動力分析

2.1動力模型建立

采用SAP2000軟件對該橋進(jìn)行有限元分析，主梁、吊桿以及邊墩和過渡墩均采用框架單元進(jìn)行模擬；對于主塔和主纜，采用分段直線框架進(jìn)行曲線擬合，并對吊桿和主纜及主梁的連接處進(jìn)行彎矩釋放以模擬鉸接。主纜和橋塔鞍座處以及吊桿和主梁之間均采用主從約束。

2.2結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防水準(zhǔn)及人工地震波

根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》的有關(guān)條文，此橋采用兩階段抗震設(shè)防。由于該橋為城市主干道，從橋梁震后構(gòu)件修復(fù)的難易程度及相應(yīng)經(jīng)濟(jì)損失等的風(fēng)險程度考慮，橋梁抗震設(shè)計中采用的設(shè)防水準(zhǔn)和相應(yīng)的性能目標(biāo)如下表所示。上述時程波按照橫向+豎向方式和縱向+豎向方式輸入，而豎向時程波按照橫向時程波乘以0.65的折減系數(shù)得到。

2.3結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

本橋主塔塔底在地震力作用下的地震響應(yīng)過大，成為抗震設(shè)計的主要控制因素，本文將著重對主塔塔底的地震響應(yīng)進(jìn)行分析。下表為主塔控制截面的驗算結(jié)果。從表中可看出主塔的橫橋向抗震能力不滿足需求。

3.抗震措施

3.1概述

根據(jù)前文的分析論述，可以看出，主塔塔底截面主要在橫橋向和豎向地震力作用下，橫橋向彎矩過大，且主塔塔底出現(xiàn)拉力。針對這一情況，在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計。

3.2粘滯阻尼器方案

在保持原有結(jié)構(gòu)的支承方式不變的基礎(chǔ)上，在主塔和主梁之間增加橫向粘滯阻尼器。期望在阻尼器的作用下，減小主梁和主塔的橫向耦合振動響應(yīng)，以減少主塔塔底的內(nèi)力。

分別測量原方案和粘滯阻尼器方案中XZ方向組合地震和YZ方向組合地震發(fā)現(xiàn)：方案效果均不理想，主要由于主塔的塔底彎矩很大一部分并不是由主梁和主塔的橫向耦合振動引起的。

3.3塔橫梁方案

在原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合主塔截面尺寸，增加一個矩形截面為10×10m的混凝土橫梁，主塔塔底內(nèi)力如表3。

從表3可以看出，采用塔橫梁方案可以很有效的降低主塔塔底彎矩；縱橋向恒載和動軸力疊加之后的數(shù)值比原方案變小的原因在于增加塔橫梁以后，恒載增加的幅度小于動軸力增加的幅度，所以兩者之差較之前變小。

4.分析及結(jié)論

4.1不同抗震措施對主塔塔底內(nèi)力的影響

通過之前的數(shù)據(jù)分析和比較可以知道，原有減隔震方案結(jié)果不理想，而從結(jié)構(gòu)的傳力路徑出發(fā)提出的塔橫梁方案可以有效的提高結(jié)構(gòu)受力合理性。

通過對結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布、結(jié)構(gòu)體系和支承方式的分析，由于結(jié)構(gòu)本身是柔性支承的漂浮體系，自振周期就比較長，通過減隔震方案盡管可以有效的延長結(jié)構(gòu)周期，但是對于降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)效果較差；而該橋抗震設(shè)計的主要控制因素是主塔塔底在橫橋向彎矩過大，這是由主塔自身重量過大引起的，通過增加阻尼器耗能也不能有效的解決；主纜和吊桿為柔性支承，縱橋向能夠提供較大的剛度，很好的分?jǐn)傊魉v向內(nèi)力到主梁及各邊墩和過渡墩上，而面外剛度很小，主塔的橫向彎矩不能通過主纜傳遞，所以通過在主塔下增加橫梁的方式，可以分?jǐn)傄徊糠謴澗兀瑥亩沟檬芰Ω侠恚魉撞康膹澗匾膊恢劣谶^大。

4.2結(jié)論

通過以上分析，得出以下主要結(jié)論：

1）對于漂浮式自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)，由于自振周期本身就比較長，通過減隔震支座不能有效的減少地震響應(yīng)，尤其是橫橋向主塔的地震響應(yīng)；

2）主纜和吊桿面外剛度太小，不能有效的傳遞主塔在橫橋向地震作用下的彎矩；

3）主塔本身自重過大，通過在主梁和主塔之間增設(shè)粘滯阻尼器不能有效的降低主塔在橫橋向地震力作用下的地震響應(yīng)；

4）橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計應(yīng)該從結(jié)構(gòu)的本身特點(diǎn)出發(fā)，了解傳力路徑，才能得出有效的抗震措施。

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作者簡介

張旸（1989-08）男，瑤，湖南懷化，碩士，設(shè)計員，助理工程師，研究方向：橋梁設(shè)計。

（作者單位：廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司）