高烈度地區(qū)深水位高塔斜拉橋合理抗震體系研究

斜拉橋結(jié)構(gòu)約束體系主要包括縱橫兩個(gè)方向。對(duì)主梁與橋塔（塔墩）間非固結(jié)的大跨徑斜拉橋，兩個(gè)方向的約束體系具有獨(dú)立性。縱向約束體系對(duì)橋梁整體結(jié)構(gòu)受力行為影響很大，是結(jié)構(gòu)約束體系的主要特征；橫向約束體系則對(duì)橋梁橫向受力有直接影響。斜拉橋由于跨度大和結(jié)構(gòu)柔性，在動(dòng)力方面具有不同于一般工程結(jié)構(gòu)的特殊性[1]。

作為大跨度橋梁中使用率較高的斜拉橋，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)其約束體系進(jìn)行了研究。馮云成等[2]以廈漳跨海大橋南汊主橋的疊合梁斜拉橋方案為例，研究了塔梁、墩梁間橫橋向四種約束體系對(duì)該橋橫橋向抗震性能的影響；葉愛君等[3]分析了采用粘滯流體阻尼器的橫向約束體系對(duì)超大跨度斜拉橋地震反應(yīng)的影響；姜增國(guó)等[4]研究了彈性拉索和粘滯阻尼器兩種減震裝置對(duì)大跨斜拉橋地震響應(yīng)的影響；徐秀麗等[5]通過對(duì)蘇通大橋橫向減震控制的研究分析，認(rèn)為橫向采用局部減震體系最為合理；方圓等[6]以嘉興—紹興跨江通道的一座大跨斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘埃芯苛藰蛩c主梁之間不同約束形式對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響；郝超等[7]以主跨618 m的武漢白沙洲長(zhǎng)江大橋?yàn)楣こ瘫尘埃?jì)算了不同主梁縱向約束方式下斜拉橋在地震作用下的響應(yīng)。斜拉橋形式多樣，各種結(jié)構(gòu)體系的抗震性能也有明顯差別，雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)斜拉橋的地震反應(yīng)進(jìn)行了廣泛的研究，但是對(duì)斜拉橋不同約束體系的研究結(jié)論還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，得到的結(jié)果也并不一致。

本文以云南某斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘埃ㄟ^改變主橋上下部結(jié)構(gòu)之間的連接方式，來實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁縱橫向不同約束體系的模擬，對(duì)比分析了不同縱橫向結(jié)構(gòu)體系對(duì)橋梁抗震性能的影響，提出了一種適宜高塔斜拉橋的抗震結(jié)構(gòu)體系，為類似工程的抗震研究和設(shè)計(jì)等提供依據(jù)。

1 工程概況

橋梁主跨320 m，邊跨140 m，全長(zhǎng)700 m。主梁采用鋼混組合梁，全寬32 m，標(biāo)準(zhǔn)索距12.6 m，邊跨部分索距加密為7.5 m，鋼主梁高2.8 m，鋼橫梁中心高度2.6 m，鋼筋混凝土橋面板厚26 cm。主橋索塔采用H型塔，一側(cè)（東川）索塔高250.5 m，蓄水位以下高度102 m；另一側(cè)（巧家）索塔高190 m，蓄水位以下高度41.5 m。橋址處于小江構(gòu)造斷裂帶附近，小江斷裂帶具有高速活動(dòng)性，是云南地區(qū)最強(qiáng)烈的地震發(fā)生帶，橋址處設(shè)計(jì)基本地震加速度0.2g，50 a2%超越概率下地震加速度峰值為5 m/s2。

2 有限元模型及動(dòng)力特性分析

采用有限元分析軟件SAP2000建立了橋梁全橋空間有限元模型，見圖1。

主梁、橋墩、基礎(chǔ)均采用空間Beam單元進(jìn)行建模，支座采用Link單元模擬。采用m法模擬樁-土相互作用，采用Morison附加水質(zhì)量法考慮墩-水動(dòng)力相互作用。特征方程求解利用Ritz模態(tài)分析了前500階動(dòng)力特性，前10階振型結(jié)果見表1。

圖1 橋梁空間動(dòng)力有限元模型

表1 橋梁動(dòng)力特性描述

3 結(jié)構(gòu)抗震體系對(duì)比研究

針對(duì)不同抗震體系下的地震響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)縱橫向分別進(jìn)行分析，計(jì)算采用E2地震進(jìn)行輸入。由于體系對(duì)比中計(jì)算工況較多，采用瑞利阻尼計(jì)算工作量巨大，本文計(jì)算采用常阻尼進(jìn)行，阻尼比取0.03。見表2。

表2 橋梁抗震體系比選方案

以地震輸入能量、塔底彎矩、梁端和塔頂位移、主梁地震響應(yīng)為控制指標(biāo)將縱橫向不同抗震體系進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 地震輸入能量

不同抗震體系地震總輸入能量見圖2。

圖2 不同抗震體系地震總輸入能變化曲線

從圖2可以看出，不同抗震體系縱橫向的總地震輸入能量略有不同。就縱向抗震體系而言，“半漂浮體系”下的結(jié)構(gòu)總輸入能量最少，安裝阻尼器或彈性索的方案結(jié)構(gòu)總輸入能均有所增大，但總體最大相差7%以內(nèi)，而且考慮到安裝阻尼器的方案中阻尼器有耗能作用，因此從能量角度上難以反映結(jié)構(gòu)的總體地震響應(yīng)大小。就橫向抗震體系而言，“塔梁新型抗風(fēng)支座”方案總輸入能最小，相對(duì)“抗風(fēng)支座+軟鋼阻尼器”方案減小12%左右，從輸入能量的角度看，“塔梁新型抗風(fēng)支座方案”是最優(yōu)方案。

3.2 關(guān)鍵截面地震響應(yīng)

由于斜拉橋的塔底截面為其地震響應(yīng)較大部位，因此，以東川側(cè)水中塔柱底部彎矩為例，進(jìn)行不同抗震體系的比較。見圖3。

圖3 東川側(cè)水下塔柱底彎矩

從圖3a可以看出：縱向不同抗震體系中，對(duì)塔底彎矩改善最大的為“半漂浮+梁端彈性索+阻尼器”方案，縱向彎矩比原方案減小6.69%；其次為“半漂浮+塔梁彈性索+阻尼器”方案，縱向彎矩比原方案減小5.28%；未設(shè)置阻尼器方案，塔底縱向彎矩有一定的增大。因此，設(shè)置阻尼器對(duì)塔底彎矩有一定的控制作用。從圖3b可以看出：橫向不同抗震體系中，“塔梁新型抗風(fēng)支座（彈性索加阻尼）”方案對(duì)橋塔地震響應(yīng)控制最優(yōu)，其次為“抗風(fēng)支座+軟鋼阻尼器（原方案）”方案，設(shè)置彈性索的方案最差。相比于原方案，新型抗風(fēng)支座能減小東川側(cè)塔底橫向彎矩1.84%。

3.3 地震位移響應(yīng)

對(duì)縱向不同抗震體系地震作用下主梁端部位移進(jìn)行對(duì)比分析。見圖4。

從圖4可以看出，設(shè)置彈性索體系中，由于彈性索約束剛度較小，該體系對(duì)梁端縱向位移約束作用不大，但彈性索和阻尼器組合使用的體系對(duì)梁端位移控制效果優(yōu)于僅用阻尼器的減震方案。對(duì)于梁端縱向位移響應(yīng)而言，最優(yōu)體系為“半漂浮+梁端彈性索+阻尼器”方案，相對(duì)原方案，梁端位移分別減小10%和3.5%左右。

以東川側(cè)梁端位移和塔梁相對(duì)位移為例，對(duì)比橫向不同抗震體系地震作用下的橋梁位移響應(yīng)。見圖5。

圖4 不同縱向抗震體系梁端位移對(duì)比

圖5 不同橫向抗震體系梁端位移對(duì)比

從圖5可以看出，“抗風(fēng)支座+軟鋼阻尼器”方案及“塔梁-過渡墩彈性索”方案均會(huì)造成梁端位移的大幅增大，而“塔梁新型抗風(fēng)支座”方案的梁端和塔梁相對(duì)位移控制，在幾種方案中為最優(yōu)。

4 結(jié)論

1）對(duì)于地震輸入能量而言，不同縱向抗震體系總體相差不大，在7%以內(nèi)；橫向抗震體系中，“塔梁新型抗風(fēng)支座”方案總輸入能最小，相對(duì)“抗風(fēng)支座+軟鋼阻尼器”方案減幅達(dá)12%。

2）對(duì)于關(guān)鍵截面內(nèi)力而言，縱向抗震不同體系中，由于設(shè)置阻尼器對(duì)塔底彎矩有一定的控制作用，“半漂浮+梁端彈性索+阻尼器”體系對(duì)塔底彎矩改善最大，縱向彎矩減小7%；不同橫向抗震體系對(duì)塔底橫向彎矩的影響不大，變動(dòng)在2%以內(nèi)。

3）對(duì)于關(guān)鍵點(diǎn)位移而言，不同縱向抗震體系中，設(shè)置彈性索體系對(duì)梁端縱向位移約束作用不大，但彈性索和阻尼器組合使用的體系對(duì)梁端位移控制效果優(yōu)于僅用阻尼器的減震方案；橫向抗震體系中，“塔梁新型抗風(fēng)支座”體系明顯優(yōu)于其他體系。

4）綜合來看，縱向選用“半漂浮+梁端彈性索+阻尼器”體系，橫向選用“塔梁新型抗風(fēng)支座”體系的抗震性能最優(yōu)。