獨(dú)塔斜拉橋合理結(jié)構(gòu)體系及約束方式探討

劉志才， 張學(xué)義， 李宏杰

（天津市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300392）

獨(dú)塔斜拉橋造型美觀，在100～300 m 跨徑范圍內(nèi)的城市橋梁工程中被廣泛應(yīng)用[1～2]，常為獨(dú)塔雙跨式。為了改善獨(dú)塔雙跨式斜拉橋的受力性能，避免過(guò)渡墩壓重偏大，常采取在斜拉橋范圍內(nèi)增設(shè)輔助墩或主梁延伸一跨形成協(xié)作體系的方式；在防洪或通航容許的情況下，可優(yōu)先采用輔助墩體系。在中高烈度地區(qū)中等跨度斜拉橋常采用半漂浮體系，其主梁的縱橫向約束體系有多種：縱向約束常用的有彈性索、黏滯阻尼器及減隔震支座；橫向約束常用的有抗風(fēng)支座和彈塑性橫向鋼阻尼支座。結(jié)構(gòu)支承體系及約束方式的選擇是斜拉橋設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題，部分橋梁因支承體系及約束方式布置不當(dāng)，出現(xiàn)病害，比如某全漂浮體系的斜拉橋未設(shè)置順橋向靜力約束，通車運(yùn)營(yíng)后梁體發(fā)生了顯著的順橋向位移，黏滯阻尼器被拉壞。彈性索與黏滯阻尼器同時(shí)使用的工程案例相對(duì)較少，已查到的資料中主要有珠江黃埔大橋北汊主橋[3]及寧波象山港大橋[4]等。本文基于背景工程，對(duì)獨(dú)塔斜拉橋的支承體系、約束方式進(jìn)行了研究，針對(duì)輔助墩的作用、彈性索與黏滯阻尼器組合使用后的減隔震效果進(jìn)行了一些探索。

1 工程概況

塔里木大橋上跨塔里木河，全長(zhǎng)1 418 m。主橋?yàn)楠?dú)塔雙跨斜拉橋，跨徑布置為41 m+168 m+168 m+41 m，即兩主跨均在距離過(guò)渡墩41 m處設(shè)置了一個(gè)輔助墩，橋?qū)?6.5 m。主塔為景觀性弧線形混凝土塔，橋面以上塔高106.6 m，橋面以下塔高18.4 m，設(shè)置了2 道橫梁；塔柱及塔上橫梁均為空心薄壁箱形截面。主梁采用流線形扁平鋼箱梁，梁高3 m；鋼橋面鋪裝采用5 cm 厚UHPC 超高性能混凝土+3 cm 厚SMA10 磨耗層；平行鋼絲拉索，扇形空間雙索面，主梁上拉索間距為9 m，主塔上拉索間距為2.3～2.5 m，全橋單側(cè)采用了21對(duì)斜拉索，共4種規(guī)格，分別為PES7-109、PES7-121、PES7-139、PES7-151。見(jiàn)圖1。

圖1 主橋總體布置

2 主橋結(jié)構(gòu)體系

項(xiàng)目前期，主橋結(jié)構(gòu)為獨(dú)塔雙跨半漂浮體系，跨徑布置為209 m+209 m。施工圖設(shè)計(jì)階段，維持主橋總跨徑基本不變的前提下，對(duì)主橋結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了較深入的研究，對(duì)原獨(dú)塔雙跨、輔助墩、協(xié)作跨3 種不同結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，重點(diǎn)對(duì)比了主梁跨中撓度、塔頂水平位移、梁端轉(zhuǎn)角及索塔受力情況。見(jiàn)圖2和表1。

圖2 主橋的結(jié)構(gòu)體系

表1 不同結(jié)構(gòu)體系靜力計(jì)算結(jié)果比較

從表1 可以看出：原獨(dú)塔雙跨體系的整體剛度最小，雖然滿足JTG/T 3365-01—2020《公路斜拉橋設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，但在同類型項(xiàng)目中活載位移偏大，索塔應(yīng)力亦最不利，最大壓應(yīng)力已超過(guò)C50 混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；因此非常有必要對(duì)原體系進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)。

輔助墩體系及協(xié)作跨體系均能有效提高結(jié)構(gòu)整體剛度；相比之下，輔助墩體系的效果更顯著，尤其是在降低塔頂活載順橋向位移方面，輔助墩體系的塔頂活載順橋向位移僅為協(xié)作體系的約60%。輔助墩體系及協(xié)作跨體系均能有效降低主塔拉、壓應(yīng)力；輔助墩體系綜合效果更好。輔助墩體系及協(xié)作跨體系均能有效降低連接墩位置的伸縮縫最大轉(zhuǎn)角：輔助墩體系伸縮縫處最大轉(zhuǎn)角僅為原獨(dú)塔雙跨體系的11.4%；協(xié)作跨體系伸縮縫處最大轉(zhuǎn)角僅為原獨(dú)塔雙跨體系的19.7%；輔助墩體系的效果更優(yōu)。

綜上所述，在結(jié)構(gòu)受力方面，輔助墩體系及協(xié)作跨體系均對(duì)原獨(dú)塔雙跨體系有較大改善；輔助墩體系在提高結(jié)構(gòu)整體剛度、降低主塔應(yīng)力及減小伸縮縫處最大轉(zhuǎn)角均優(yōu)于協(xié)作跨體系；輔助墩體系主塔更高、更挺拔，拉索布置范圍大，整體氣勢(shì)宏偉，景觀效果優(yōu)于協(xié)作跨體系；另外主跨168 m已滿足水利要求；故本橋最終選擇了輔助墩結(jié)構(gòu)體系。

3 主橋支承及約束體系

由于主橋橋面較低，橋塔未設(shè)置下橫梁，主梁通過(guò)設(shè)置在承臺(tái)上的墩柱進(jìn)行支承，與主塔不直接連系。無(wú)論哪種結(jié)構(gòu)體系，斜拉橋主梁的荷載一般均傳遞給橋塔；但本橋主梁的支座反力直接傳遞給了主墩墩柱，減少了主塔承擔(dān)的荷載，有利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[5]。

主橋采用半漂浮結(jié)構(gòu)體系，見(jiàn)圖3和表2。

表2 主橋支承及約束系統(tǒng)

3.1 體系設(shè)計(jì)

3.1.1 豎向

主墩、輔助墩及過(guò)渡墩均采用雙向滑動(dòng)球形鋼支座支承主梁；主墩及輔助墩的球形鋼支座均布置在墩柱上，過(guò)渡墩的球形鋼支座布置在蓋梁上。

3.1.2 順橋向

過(guò)渡墩位置無(wú)順橋向約束；輔助墩及主墩位置均設(shè)置了縱向黏滯阻尼器：主墩布置4個(gè)，每個(gè)輔助墩布置2 個(gè)。黏滯阻尼器對(duì)瞬時(shí)陣風(fēng)、剎車和地震等引起的動(dòng)荷載具有阻尼耗能作用，但對(duì)溫度、汽車和一般風(fēng)荷載引起的緩慢位移無(wú)約束。故為了限制活載、一般風(fēng)荷載等作用下主梁的縱向漂移并輔助結(jié)構(gòu)抗震，在主墩處設(shè)置縱向彈性索。

3.1.3 橫橋向

主墩及輔助墩均設(shè)置彈塑性橫向鋼阻尼支座，既可約束主梁受到一般風(fēng)荷載等作用下的橫向變位，又可減少主梁在橫橋向地震、陣風(fēng)等瞬時(shí)作用下橫向位移及結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力響應(yīng)。為了降低伸縮縫的橫向反復(fù)變形，過(guò)渡墩處采用了橫橋向抗震擋+抗風(fēng)支座的形式。

3.2 規(guī)格與連接方式

1）主橋縱橋向在主墩和輔助墩處均設(shè)置了同一型號(hào)的黏滯液體阻尼器，主墩4個(gè)，每個(gè)輔助墩2個(gè)，主橋共設(shè)置8個(gè)。單個(gè)阻尼器設(shè)計(jì)最大阻尼力為3 000 kN，設(shè)計(jì)行程為400 mm，阻尼指數(shù)為0.3，要求能適應(yīng)橫橋向±5°的反復(fù)變形；黏滯阻尼器一端固定在主墩或輔助墩墩柱的支座墊石上，一端固定在鋼箱梁上。

2）彈性索采用整束擠壓鋼絞線拉索，型號(hào)為GJ15-19，單根長(zhǎng)度49.5 m，從主墩位置向兩側(cè)主梁各布置8根，主橋共16根。彈性索的張拉端布置在主墩墩柱的支座墊石上，固定端錨固在鋼箱梁外置的鋼錨箱上。

3）主墩及輔助墩均設(shè)置了同一型號(hào)的彈塑性橫向鋼阻尼支座，主墩布置了4 個(gè)，每個(gè)輔助墩布置2個(gè)，主橋共8 個(gè)，其技術(shù)參數(shù)：高度1 200 mm，屈服力1 750 kN，縱向水平位移±400 mm，橫向水平位移±240 mm。橫向鋼阻尼支座上端與鋼箱梁栓接，下端通過(guò)預(yù)埋螺栓與墩柱及墊石連接。與抗風(fēng)支座相比，橫向鋼阻尼支座剛度小、位移大、耗能好，傳遞到墩柱的橫橋向地震力也明顯降低。

4 主橋順橋向約束方式的比選

主橋順橋向約束方式主要影響其動(dòng)力及地震響應(yīng)，同時(shí)也需要考慮橋梁正常使用狀態(tài)下的性能，尤其需要防止順橋向位移過(guò)大導(dǎo)致的系列問(wèn)題。橋位處場(chǎng)地地表設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)：50 a 超越概率10%（E1）水平下，地震動(dòng)峰值加速度為0.135g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.55 s；100 a 超越概率5%（E2）水平下，地震動(dòng)峰值加速度為0.220g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.60 s。根據(jù)地震安平報(bào)告提供的E1、E2各3條地震時(shí)程波，考慮了5種不同順橋向約束體系，進(jìn)行了抗震時(shí)程分析：①無(wú)約束；②僅布置彈性索；③僅布置黏滯阻尼器；④彈性索與黏滯阻尼器同時(shí)布置；⑤采用NDQZ非線性阻尼輻減隔震球形鋼支座。

約束方式②～④所用彈性索及阻尼器的規(guī)格與前述一致。NDQZ 鋼支座是一種新型減隔震球形鋼支座，通過(guò)彈塑性鋼阻尼原件耗能，可實(shí)現(xiàn)多水準(zhǔn)逐級(jí)設(shè)防、全橋協(xié)同抗震的效果，已在多座斜拉橋上應(yīng)用。本項(xiàng)目采用規(guī)格為NDQZ-10000-ZX-e250 及NDQZ-10000-GD 的鋼支座。E2地震作用下不同順橋向約束方式下主橋的地震響應(yīng)見(jiàn)表3。

表3 不同順橋向約束方式下主橋E2地震響應(yīng)

從表3可以看出：僅采用彈性索減震效果較差，梁端位移、彈性索內(nèi)力及主塔塔底內(nèi)力、主墩墩柱內(nèi)力均比較大；對(duì)本橋而言，與NDQZ 非線性阻尼輻減隔震球型鋼支座相比，黏滯阻尼器的減震效果更好，尤其在順橋向地震位移控制上；與僅布置彈性索相比，彈性索與黏滯阻尼器同時(shí)布置的方式明顯降低了彈性索本身的內(nèi)力；與僅布置黏滯阻尼器相比，彈性索與黏滯阻尼器同時(shí)布置的方式對(duì)梁端地震位移控制略好，主塔塔底內(nèi)力有所降低，主墩墩柱內(nèi)力則有所增大，但總體上差別并不明顯；說(shuō)明起到減隔震作用的主要還是黏滯阻尼器，彈性索僅為輔助作用。

設(shè)計(jì)最終采用了彈性索與黏滯阻尼器同時(shí)布置的方式，理由是：

1）彈性索可以輔助抗震，有一定的減震效果；

2）在正常使用階段，本橋順橋向需要約束，以抵抗主塔兩側(cè)順橋向的不平衡索力以及汽車制動(dòng)力等順橋向荷載，可采用設(shè)置固定支座或設(shè)置彈性索的方法。

固定支座的螺栓一般建議在E1地震作用下不剪斷；或取E1地震作用與正常使用要求的水平承載能力二者之間的某一中間值，E2地震來(lái)臨時(shí)剪斷。對(duì)本橋而言，橋塔位置主梁直接支承在墩柱上，設(shè)置固定支座將導(dǎo)致主墩墩柱在E1地震作用下受力顯著增大；而彈性索為柔性裝置，在E1地震下也可與黏滯阻尼器共同作用，大大降低了地震響應(yīng)。需要說(shuō)明的是，斜拉橋應(yīng)考慮正常使用階段的順橋向約束；若無(wú)此約束，則在汽車和溫度等作用下梁體可能滑動(dòng)，甚至出現(xiàn)梁體滑動(dòng)后繼續(xù)拖拽黏滯阻尼器，最終阻尼器損壞、主梁局部變形的病害。

5 結(jié)論

1）獨(dú)塔雙跨斜拉橋在滿足水利要求的前提下，布置協(xié)作跨或設(shè)置輔助墩均能改善結(jié)構(gòu)的構(gòu)靜力反應(yīng)結(jié)果，輔助墩體系更為明顯。

2）獨(dú)塔雙跨斜拉橋黏滯阻尼器的減隔震效果較好，顯著降低了梁端及塔頂順橋向位移、主塔內(nèi)力及彈性索自身索力等地震響應(yīng)。

3）僅設(shè)置彈性索約束的減隔震效果不明顯，高地震地區(qū)不宜單獨(dú)使用。

4）對(duì)于背景工程，彈性索與黏滯阻尼器同時(shí)布置的方式減隔震效果最佳；彈性索可同時(shí)作為主橋正常使用狀態(tài)下的順橋向約束，增加了橋梁的穩(wěn)定性。