公路斜拉橋抗震設計方法

高斌

（中交第一公路勘察設計研究院有限公司，西安 710000）

1 引言

獨塔斜拉橋建設中，因地形、地勢等自然條件的限制而普遍采取兩跨非對稱的布置方式，主梁以混合梁模式居多。 相比常規斜拉橋，帶有混合梁的斜拉橋在結構形式、受力性能等方面均有特殊性， 可能由于設計或施工不當而導致抗震性能不足，橋梁對地震作用的抵御能力有限，有失穩坍塌的可能。 為保證橋梁的穩定性，需要進行抗震方法的探索，依靠技術手段提高獨塔斜拉橋的抗震性能。

2 斜拉橋地震破壞原因

在斜拉橋中，地震破壞是一種重要破壞方式。 在強震作用下，斜拉橋可能出現主梁開裂、支座受損、斜拉索折斷等問題。

從如下4 方面分析斜拉橋地震破壞的原因：（1）地震導致地基作廢或地基存在大幅度變形等異常狀況；（2）地震強度超過抗震設防要求；（3）橋梁結構設計錯誤、施工質量不符合標準要求；（4）橋梁結構抗震性能欠缺。

橋梁的上部結構、下部結構、地基和支座是地震破壞的集中發生區域[1]。 具體至橋梁上部結構，震害特征體現在扭轉位移及縱、橫向位移過大的層面。 上部結構移動太大會導致梁端伸縮設備和鄰近結構損壞，甚至出現落梁現象[2]；落梁與橋梁碰撞，結構磕碰受損。 若上部結構鄰近間隔太短，發生地震時的撞擊也會導致結構損傷。

在各類橋梁結構震害中，支座破壞屬于極為常見的形式[3]。以日本阪神地震為例，其支座損壞率占28%，主要原因有支座抗震性能未滿足要求、 連接和支擋構造方法不到位及材料性能不合格等。 同時，上部主梁、下部橋墩及地基的受力也會因支座損壞而出現改變，結構抗震性能下降。

橋墩是橋梁下部結構震害的高發區域，以彎曲、剪切破壞居多。 在延性較差的高柔橋墩出現最多的是彎曲破壞，而剪切破壞則普遍發生于約束箍筋和縱向鋼筋不足的短粗橋墩中。在強震期間， 橋墩的彎曲破壞與剪切破壞經常導致其承載性能喪失，從而使上部結構坍塌。

地基破壞、樁基礎剪切破壞和彎曲破壞、樁頂和承臺結合構架方法不到位等是導致橋梁地基震害的重要因素。 樁基礎震害具有隱藏性， 但它在保證整個橋梁的受力安全方面發揮著關鍵的作用。

3 工程實例

某橋全長827 m，主橋長519 m（89 m+245 m+185 m）、寬44.0 m，是一座獨塔雙索面混合梁斜拉橋。 在邊跨做一協助橋墩，選空間扇狀雙索面進行斜拉索安裝。主塔高度為146 m，屬水滴狀橋塔。 疊合梁用作錨索區，縱梁高度2.75 m，箱形截面形式，錨索區外均為混凝土梁，跨中梁高與疊合梁等高。 橋梁采用鉆孔灌注樁基礎，墩梁間設支座。

4 有限元模型與結構體系

4.1 有限元模型

基于有限元軟件SAP2000 構建如圖1 所示的模型。其中，使用空間彈性梁對主塔、主梁及橋墩進行有限元仿真，并對結構的幾何剛度進行分析。 主塔、主梁、橋墩自重通過賦予截面面積和材料重度來實現， 橋面二期恒載等附加質量采用線質量方式加在主梁單元上。 建模時，塔、墩基礎采用群樁，用六彈簧空間模型模擬樁-土相互作用，用梁單元模擬斜拉索。 橋梁支座的模擬方法視支座類型而定， 用單元和雙線性理想彈塑性彈簧相連表示支座的滑移方向，支座豎向、單向滑動支座的非活動方向固定。

圖1 斜拉橋有限元模型

4.2 拉索減震支座

拉索減震支座中的球鋼支座性能穩定可靠， 在斜拉橋工程中取得廣泛的應用。 集高強和柔性的鋼絲繩于一體，提升支座對地震作用的抵御能力，例如，遇地震時支座可在剪斷抗剪銷釘時發生滑移，結構體系轉變為減隔震系統，抗震性能優勢得以發揮，可降低結構地震內力反應，同時采用拉索設備控制墩梁的偏移。

拉索減震支座的恢復力模型是球鋼支座與拉索的恢復力曲線相綜合的結果。 其中，拉索減震支座的恢復力模型可以通過式（1）表示：

式中，F 為支座的恢復力，kN；K 為拉索的剛度，kN/m；x 為拉索的受拉后長度，m；x0為拉索的初始長度，m；c 為減震器的阻尼系數，kN·sm-1；v 為減震器的速度，m/s；v0為減震器的初始速度，m/s。

當拉索伸長或減震器受到外力作用時， 支座會產生恢復力來抵抗變形。 恢復力的大小取決于拉索的伸長量和減震器的速度。 需要注意的是，式（1）只是一個簡化的模型，實際的拉索減震支座恢復力模型可能更加復雜， 還需要考慮其他因素的影響，比如溫度變化、材料特性等。 具體的恢復力模型需要根據實際情況進行細化和調整。

4.3 結構抗震體系

提出如下3 種抗震設防體系，探討各自的地震反應特征，具體如下。

體系一，固結體系：各墩梁間在縱向設滑動支座，P03 塔處用塔梁固結。

體系二，半漂浮體系：在塔梁與墩梁中間設置縱向滑動支座，共包含單向球形、雙向球形、固定球形3 類鋼支座，于P03塔設縱向滑動支座。

體系三，彈性索體系：關鍵組成沿用體系二，區別在于為塔梁間設高強鋼絞線，作為彈性索，在增設此類材料后，改變主梁地震慣性力的傳遞方式。

4.4 地震動輸入

地震烈度Ⅷ度， 橋址區50 年2%高出概率水平地震動的特性周期為0.90 s，地震加速度最大值為0.337 m/s2。 根據場地地震安全性評價報告提供的地震動加速度時程， 豎向地震動時，取水平地震動的0.65 倍作為垂直地震動。

5 主橋地震反應特點

5.1 減震效果對比研究

地震響應以運算成果的包絡值為代表， 使用3 條地震波剖析非線性時程，對包絡值進行對比分析。 考慮前述提及的3種抗震設防體系， 各自對應的地震內力、 地震位移的響應幅值，如表1、表2 所示。

表1 地震內力響應幅值（塔/ 墩底彎矩） kN·m

表2 地震位移響應幅值（支座位移） m

由表1、表2 做如下分析：根據P03 主塔地震內力和塔梁相對位移可知，最大塔底彎矩發生在體系一中，其他抗震體系的該值相對較小，為滿足結構在地震時的穩定性要求，不宜在高烈度區采用體系一（固結體系）；從主塔地震內力的對比結果來看，體系二、體系三的該值較小，受傳力方法不一樣的影響；從地震內力和位移兩項指標來看，體系三均低于體系二，因此有理由認為體系三更具可行性， 即彈性索體系的抗震性能更佳。

5.2 彈性索與拉索減震支座組合體系

秉承抗震性能最優化的原則， 提出彈性索與拉索減震支座組合體系，設計此體系的思路如下。

橋墩底的彎矩在半漂浮和彈性索體系中均較低， 但存在主梁位移大的局限性，表明在較強地震破壞作用下，橋梁主要構件易遭到危害且普遍伴隨嚴重的異常狀況， 以橋墩為代表的主要受力構件缺乏對地震力的抵御能力， 抗震體系應用效果相對有限。 為此，將抗震體系的設計重點轉向如何限制地震內力和位移層面，而彈性索體系在此方面則具有突出的優勢，可予以采用。 因此，在彈性索體系的基礎上，將橋梁支座均設計為拉索減震支座， 形成集彈性索與拉索減震支座于一體的綜合抗震體系。 拉索減震支座自由行程的控制根據地震內力和位移相均衡的基本要求而定，取0.3 m。 地震內力響應數據，如表3 所示。

表3 基于拉索減震支座的地震內力響應 kN·m

分析發現，在使用拉索減震支座時，橋墩墩底彎矩增至原彎矩的1.66~1.95 倍， 雖然墩柱內力呈現出增加的變化趨勢，但始終被穩定在許可范圍內； 主塔彎矩減至彈性索計劃的0.96 倍， 塔底彎矩和墩（塔） 梁相對位移均減小， 可穩定在0.31~0.32 m。 由此看來，橋墩的抗震性能由于拉索支座的應用而顯著提升，具備分擔地震力的作用，有效規避大范圍的墩梁位移和塔梁位移現象，所取得的抗震效果值得肯定，是具有可行性的抗震設防措施。

6 結語

經過本文的分析， 提出獨塔非對稱斜拉橋的多種抗震設防體系，并就各自的應用效果進行分析，得出如下結論。

1）獨塔斜拉橋采用固結體系時，對于建設在高烈度區的橋梁而言，其結構的剛度較大，主體的地震內力較強，抗震效果欠佳，此抗震體系缺乏可行性。

2）半漂浮體系和彈性索體系在減小主塔地震內力方面均有重要作用， 但各自的主梁偏移程度因傳力方式的不同而出現差異，彈性索體系下的主梁偏移較小，更具可行性。

3）在聯合應用拉索減震支座和彈性索體系后，充分提升橋墩的抗震性能，減小主塔地震內力、支座位移，綜合抗震性能良好， 拉索減震支座和彈性索體系的綜合抗震方式具有可行性，有推廣的價值。