高烈度地區大跨度斜拉橋合理抗震體系研究

馮英驥

【摘? ? 要】：為探究高烈度地區斜拉橋的合理抗震體系，以實際工程為例，基于SAP2000軟件建立橋梁有限元模型，對橋梁縱橫向不同抗震體系進行詳細探討。結果表明：塔梁間縱向設置阻尼器體系可以有效降低主塔、樁基礎及主梁的地震響應；塔梁間橫向設置拉索支座體系可以很好地控制塔梁間相對位移并使主塔、樁基地震響應處于較低水平。

【關鍵詞】：大跨度；斜拉橋；高烈度；抗震體系；地震響應

【中圖分類號】：U448.27【文獻標志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2023）03-35-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.03.011

Research on Reasonable Seismic System of Long Span Cable-stayed Bridge

in High Intensity Area

FENG Yingji

（Tianjin Branch， Shanghai Urban Construction Design & Research Institute Group Co. Ltd.，Tianjin 300381， China）

【Abstract】：To investigate the reasonable seismic system of cable-stayed bridges in high intensity area， a finite element model of the bridge was established based on SAP2000 software， the paper takes actual project as an example， and conductes a detailed discussion on the different seismic systems of the bridge in longitudinal and transverse directions. The results show that the seismic response of the main tower， pile foundation and main beam can be effectively reduced by the longitudinal damper system between the tower and beam. The lateral installation of cable bearings system between the tower and beam can effectively control the relative displacement between the tower and beam， and the seismic response of the main tower and pile foundation can be kept at a low level.

【Key words】：long-span; cable-stayed bridge; high intensity; seismic system; seismic response

目前斜拉橋抗震體系仍處于研究階段，我國的公路工程抗震設計規范和鐵路工程抗震設計規范都只適用于主跨150 m以下的梁橋和拱橋，不適用于大跨度橋梁；國外絕大多數設計規范也只適用于中等跨徑的普通橋梁，不適用于斜拉橋。作為大跨度橋梁中使用率較高的橋梁，國內外很多學者對斜拉橋約束體系進行了研究。沈星等[1～2]分析了采用黏滯流體阻尼器的橫向約束體系對超大跨度斜拉橋地震反應的影響，研究重點包括阻尼器的合理設置方式及阻尼器參數對于減震控制效果的影響；李龍安等[3]提出了大跨度公鐵兩用斜拉橋選取不同的抗震體系的原則和方法，抗震體系的關鍵在主塔本身及其塔（墩）梁連接處；柳春光等[4]以某大跨度斜拉橋為背景，深入研究了拉索減震支座的應用，探討了支座的最佳布置方式及減隔震效果；趙磊等[5]以2×1 500 m三塔斜拉橋設計方案為背景，研究不同橫向約束結構體系對超大跨徑三塔斜拉橋橫向抗震性能的影響；李立峰等[6]研究了橫向全限位體系、橫向滑動體系及橫向布置鋼阻尼器的減隔震體系對斜拉橋橫向地震響應的影響并分析了減隔震體系合理布置方案及鋼阻尼器合理參數優化設計。

工程中應用常采用減隔震裝置來提升橋梁抗震性能。橋梁減隔震裝置種類眾多，不同減隔震裝置的減隔震機理不同，對橋梁結構減隔震性能的提升能力也各不相同；因此，對斜拉橋抗震體系分析研究還需進一步深化。

本文以潮汕環線高速公路榕江特大橋為工程背景，通過改變主橋塔（墩）梁連接處的連接方式，模擬橋梁縱橫向不同約束體系，對比分析不同縱橫向結構體系對橋梁地震響應的影響規律，提出一種合理的高烈度地區大跨度斜拉橋抗震體系。

1 工程概況

榕江特大橋是跨徑為60 m+140 m+400 m+140 +60 m的雙塔雙索面半漂浮體系鋼箱梁斜拉橋，采用帶風嘴的扁平流線形鋼箱梁截面，梁頂寬33.56 m（不計風嘴）、底板寬26.11 m、梁高3.5 m。索塔為鉆石形結構，高146.9 m，包括下塔柱、中塔柱、上塔柱和下橫梁，材料為C55混凝土。兩邊對稱設置輔助墩、過渡墩，均采用矩形空心墩。

項目區地震基本烈度為Ⅷ度，地震動峰值加速度為0.20g，地震烈度高，峰值加速度大。根據大橋地震安全性評估報告提供的重現期475 a（E1 水平）和重現期 2 000 a（E2 水平）的兩水平地震加速度時程曲線及JTG/T 2231-01—2020《公路橋梁抗震設計規范》，地震動輸入考慮橫向+豎向。本文主要針對縱橫向抗震體系進行研究，選取E2地震輸入，取3條波的結果最大值進行對比分析。見圖1。

2 有限元模型及動力特性分析

采用SAP2000 Nonlinear有限元軟件建立三維動力有限元模型，進行抗震性能分析，考慮主橋與相鄰聯的耦合振動影響，南北側引橋各建立一聯。模型均以順橋向為X軸、橫橋向為Y軸、豎向為Z軸；主橋主塔、主橋主梁、過渡墩、輔助墩及南北引橋均離散為空間梁單元，其中主橋主梁采用單梁式力學模型并通過主從約束同斜拉橋拉索形成“魚骨式”模型；斜拉索采用空間桁架單元并考慮拉索垂度效應及恒載幾何剛度的影響；各處基礎采用m法模擬樁-土效應。見圖2。

時程分析按照瑞利阻尼模型選取結構阻尼，其中瑞利阻尼的第一階振型取結構的基本振型，第二階振型取有效質量率最大的振型。結構動力特性分析中特征方程求解采用子空間迭代法，計算至500階，每個方向的有效質量參與比均達到90%以上。

3 結構抗震體系研究

3.1 分析工況

在塔梁結合處分別采用縱向約束、縱向漂浮、縱向設置黏滯阻尼器（阻尼常數C=3 000、速度指數ξ=0.4）、縱向設置彈性約束（剛度k1=1×105 kN/m）的方式進行縱向地震響應分析；分別采用橫向約束、橫向放松、橫向設置拉索支座（拉索剛度k2=13.5×104 kN/m、自由行程S=0.4 m）、橫向設置彈性約束（剛度k3=1×103 kN/m）等方式進行橫向地震響應分析。

3.2 縱向抗震體系

選取主塔塔底截面內力響應、主塔下樁基礎頂部截面內力響應、主橋兩側梁端位移響應和塔頂位移響應4個指標，對不同縱向約束體系的抗震性能進行比較研究。

3.2.1 關鍵截面內力響應

不同約束體系中，阻尼器體系的塔底剪力和彎矩最小，僅為其他3種體系的約50%；縱向約束體系的塔底剪力和彎矩最大，縱向漂浮和彈性約束體系下塔底受力相差不大。因此，設置塔梁間縱向阻尼器對塔底剪力和彎矩有很好地改善。見圖2。

不同約束體系中，樁頂內力響應相差較大。阻尼器體系的樁頂剪力最小，比其他體系小30%～45%；約束體系的樁頂剪力最大；阻尼體系和彈性約束體系的樁頂彎矩比其他體系小15%左右。見圖3。

3.2.2 關鍵位置位移響應

不同約束體系的梁端和塔頂縱向位移相差較大。阻尼器體系的梁端和塔頂位移均較小，為0.34～0.4 m；約束體系的梁端位移最小，為0.28 m，但塔頂位移稍大；漂浮體系的位移最大，達到1.1 m左右。因此，對于梁端和塔頂位移響應而言，阻尼器體系最優。見圖4。

3.3 橫向抗震體系

選取主塔塔底截面內力響應、主塔下樁基礎頂部截面內力響應及塔梁間橫向位移響應3個指標，對不同橫向約束體系的抗震性能進行比較研究。

3.3.1 關鍵截面內力響應

不同約束體系中，拉索支座體系的塔底剪力最小，其次是約束體系，放松體系和彈性約束體系較大；拉索支座體系的塔底彎矩最小，比其他3種體系小8%左右。因此，設置塔梁間橫向設置拉索支座體系對塔底剪力和彎矩有一定改善。見圖5。

不同約束體系中，樁頂內力響應相差不大。約束體系和拉索支座體系的樁頂剪力和彎矩較小，放松體系和彈性約束體系較大，但整體變化幅度在10%以內。見圖6。

3.3.2 關鍵位置位移響應

不同約束體系的塔梁間相對位移相差較大。拉索支座體系和橫向約束體系的塔梁間相對位移較小，在0.5 m范圍內，滿足設計要求，放松體系與彈性約束體系的塔梁間相對位移較大，達到0.8 m以上。見圖7。

4 結論

1）塔梁間縱向設置阻尼器可以有效降低主塔、樁基礎及主梁的地震響應。

2）相比與放松體系和彈性約束體系，橫向設置拉索支座可以很好地控制塔梁間相對位移；與其他3種橫向束體系相比，拉索支座體系主塔、樁基礎產生的地震響應相對較低。

參考文獻：

[1]沈星，倪曉博，葉愛君.大跨度斜拉橋邊墩橫向抗震體系研究[J].中國公路學報，2016，29（11）：82-89+121.

[2]沈星，倪曉博，葉愛君.大跨度斜拉橋邊墩新型橫向鋼阻尼器減震體系及設計方法[J]. 土木工程學報，2016，49（5）：110-119.

[3]李龍安，屈愛平，苗潤池. 大跨度公鐵兩用斜拉橋抗震結構體系的選擇[C].中國土木工程學會，中國工程院土木、水利與建筑工程學部，中國土木工程學術防災減災工程技術推廣委員會，合肥工業大學.工程防震減災新技術、新進展和新應用（下）.合肥工業大學出版社，2016：210-219.

[4]柳春光，黃晶晶. 采用拉索減震支座的大跨度斜拉橋抗震性能分析[J]. 水利與建筑工程學報， 2019，17（3）：172-176.

[5]趙磊，徐源慶，張精岳.超大跨徑三塔斜拉橋橫向抗震結構體系研究[J].公路交通科技（應用技術版），2020，16（4）：202-206.

[6]李立峰，尹會娜，唐嘉豪，等. 大跨徑斜拉橋橫向合理抗震體系研究[J]. 振動與沖擊，2022，41（6）：153-159.