公路斜拉桥抗震设计方法

高斌

（中交第一公路勘察设计研究院有限公司，西安 710000）

1 引言

独塔斜拉桥建设中，因地形、地势等自然条件的限制而普遍采取两跨非对称的布置方式，主梁以混合梁模式居多。 相比常规斜拉桥，带有混合梁的斜拉桥在结构形式、受力性能等方面均有特殊性， 可能由于设计或施工不当而导致抗震性能不足，桥梁对地震作用的抵御能力有限，有失稳坍塌的可能。 为保证桥梁的稳定性，需要进行抗震方法的探索，依靠技术手段提高独塔斜拉桥的抗震性能。

2 斜拉桥地震破坏原因

在斜拉桥中，地震破坏是一种重要破坏方式。 在强震作用下，斜拉桥可能出现主梁开裂、支座受损、斜拉索折断等问题。

从如下4 方面分析斜拉桥地震破坏的原因：（1）地震导致地基作废或地基存在大幅度变形等异常状况；（2）地震强度超过抗震设防要求；（3）桥梁结构设计错误、施工质量不符合标准要求；（4）桥梁结构抗震性能欠缺。

桥梁的上部结构、下部结构、地基和支座是地震破坏的集中发生区域[1]。 具体至桥梁上部结构，震害特征体现在扭转位移及纵、横向位移过大的层面。 上部结构移动太大会导致梁端伸缩设备和邻近结构损坏，甚至出现落梁现象[2]；落梁与桥梁碰撞，结构磕碰受损。 若上部结构邻近间隔太短，发生地震时的撞击也会导致结构损伤。

在各类桥梁结构震害中，支座破坏属于极为常见的形式[3]。以日本阪神地震为例，其支座损坏率占28%，主要原因有支座抗震性能未满足要求、 连接和支挡构造方法不到位及材料性能不合格等。 同时，上部主梁、下部桥墩及地基的受力也会因支座损坏而出现改变，结构抗震性能下降。

桥墩是桥梁下部结构震害的高发区域，以弯曲、剪切破坏居多。 在延性较差的高柔桥墩出现最多的是弯曲破坏，而剪切破坏则普遍发生于约束箍筋和纵向钢筋不足的短粗桥墩中。在强震期间， 桥墩的弯曲破坏与剪切破坏经常导致其承载性能丧失，从而使上部结构坍塌。

地基破坏、桩基础剪切破坏和弯曲破坏、桩顶和承台结合构架方法不到位等是导致桥梁地基震害的重要因素。 桩基础震害具有隐藏性， 但它在保证整个桥梁的受力安全方面发挥着关键的作用。

3 工程实例

某桥全长827 m，主桥长519 m（89 m+245 m+185 m）、宽44.0 m，是一座独塔双索面混合梁斜拉桥。 在边跨做一协助桥墩，选空间扇状双索面进行斜拉索安装。主塔高度为146 m，属水滴状桥塔。 叠合梁用作锚索区，纵梁高度2.75 m，箱形截面形式，锚索区外均为混凝土梁，跨中梁高与叠合梁等高。 桥梁采用钻孔灌注桩基础，墩梁间设支座。

4 有限元模型与结构体系

4.1 有限元模型

基于有限元软件SAP2000 构建如图1 所示的模型。其中，使用空间弹性梁对主塔、主梁及桥墩进行有限元仿真，并对结构的几何刚度进行分析。 主塔、主梁、桥墩自重通过赋予截面面积和材料重度来实现， 桥面二期恒载等附加质量采用线质量方式加在主梁单元上。 建模时，塔、墩基础采用群桩，用六弹簧空间模型模拟桩-土相互作用，用梁单元模拟斜拉索。 桥梁支座的模拟方法视支座类型而定， 用单元和双线性理想弹塑性弹簧相连表示支座的滑移方向，支座竖向、单向滑动支座的非活动方向固定。

图1 斜拉桥有限元模型

4.2 拉索减震支座

拉索减震支座中的球钢支座性能稳定可靠， 在斜拉桥工程中取得广泛的应用。 集高强和柔性的钢丝绳于一体，提升支座对地震作用的抵御能力，例如，遇地震时支座可在剪断抗剪销钉时发生滑移，结构体系转变为减隔震系统，抗震性能优势得以发挥，可降低结构地震内力反应，同时采用拉索设备控制墩梁的偏移。

拉索减震支座的恢复力模型是球钢支座与拉索的恢复力曲线相综合的结果。 其中，拉索减震支座的恢复力模型可以通过式（1）表示：

式中，F 为支座的恢复力，kN；K 为拉索的刚度，kN/m；x 为拉索的受拉后长度，m；x0为拉索的初始长度，m；c 为减震器的阻尼系数，kN·sm-1；v 为减震器的速度，m/s；v0为减震器的初始速度，m/s。

当拉索伸长或减震器受到外力作用时， 支座会产生恢复力来抵抗变形。 恢复力的大小取决于拉索的伸长量和减震器的速度。 需要注意的是，式（1）只是一个简化的模型，实际的拉索减震支座恢复力模型可能更加复杂， 还需要考虑其他因素的影响，比如温度变化、材料特性等。 具体的恢复力模型需要根据实际情况进行细化和调整。

4.3 结构抗震体系

提出如下3 种抗震设防体系，探讨各自的地震反应特征，具体如下。

体系一，固结体系：各墩梁间在纵向设滑动支座，P03 塔处用塔梁固结。

体系二，半漂浮体系：在塔梁与墩梁中间设置纵向滑动支座，共包含单向球形、双向球形、固定球形3 类钢支座，于P03塔设纵向滑动支座。

体系三，弹性索体系：关键组成沿用体系二，区别在于为塔梁间设高强钢绞线，作为弹性索，在增设此类材料后，改变主梁地震惯性力的传递方式。

4.4 地震动输入

地震烈度Ⅷ度， 桥址区50 年2%高出概率水平地震动的特性周期为0.90 s，地震加速度最大值为0.337 m/s2。 根据场地地震安全性评价报告提供的地震动加速度时程， 竖向地震动时，取水平地震动的0.65 倍作为垂直地震动。

5 主桥地震反应特点

5.1 减震效果对比研究

地震响应以运算成果的包络值为代表， 使用3 条地震波剖析非线性时程，对包络值进行对比分析。 考虑前述提及的3种抗震设防体系， 各自对应的地震内力、 地震位移的响应幅值，如表1、表2 所示。

表1 地震内力响应幅值（塔/ 墩底弯矩） kN·m

表2 地震位移响应幅值（支座位移） m

由表1、表2 做如下分析：根据P03 主塔地震内力和塔梁相对位移可知，最大塔底弯矩发生在体系一中，其他抗震体系的该值相对较小，为满足结构在地震时的稳定性要求，不宜在高烈度区采用体系一（固结体系）；从主塔地震内力的对比结果来看，体系二、体系三的该值较小，受传力方法不一样的影响；从地震内力和位移两项指标来看，体系三均低于体系二，因此有理由认为体系三更具可行性， 即弹性索体系的抗震性能更佳。

5.2 弹性索与拉索减震支座组合体系

秉承抗震性能最优化的原则， 提出弹性索与拉索减震支座组合体系，设计此体系的思路如下。

桥墩底的弯矩在半漂浮和弹性索体系中均较低， 但存在主梁位移大的局限性，表明在较强地震破坏作用下，桥梁主要构件易遭到危害且普遍伴随严重的异常状况， 以桥墩为代表的主要受力构件缺乏对地震力的抵御能力， 抗震体系应用效果相对有限。 为此，将抗震体系的设计重点转向如何限制地震内力和位移层面，而弹性索体系在此方面则具有突出的优势，可予以采用。 因此，在弹性索体系的基础上，将桥梁支座均设计为拉索减震支座， 形成集弹性索与拉索减震支座于一体的综合抗震体系。 拉索减震支座自由行程的控制根据地震内力和位移相均衡的基本要求而定，取0.3 m。 地震内力响应数据，如表3 所示。

表3 基于拉索减震支座的地震内力响应 kN·m

分析发现，在使用拉索减震支座时，桥墩墩底弯矩增至原弯矩的1.66~1.95 倍， 虽然墩柱内力呈现出增加的变化趋势，但始终被稳定在许可范围内； 主塔弯矩减至弹性索计划的0.96 倍， 塔底弯矩和墩（塔） 梁相对位移均减小， 可稳定在0.31~0.32 m。 由此看来，桥墩的抗震性能由于拉索支座的应用而显著提升，具备分担地震力的作用，有效规避大范围的墩梁位移和塔梁位移现象，所取得的抗震效果值得肯定，是具有可行性的抗震设防措施。

6 结语

经过本文的分析， 提出独塔非对称斜拉桥的多种抗震设防体系，并就各自的应用效果进行分析，得出如下结论。

1）独塔斜拉桥采用固结体系时，对于建设在高烈度区的桥梁而言，其结构的刚度较大，主体的地震内力较强，抗震效果欠佳，此抗震体系缺乏可行性。

2）半漂浮体系和弹性索体系在减小主塔地震内力方面均有重要作用， 但各自的主梁偏移程度因传力方式的不同而出现差异，弹性索体系下的主梁偏移较小，更具可行性。

3）在联合应用拉索减震支座和弹性索体系后，充分提升桥墩的抗震性能，减小主塔地震内力、支座位移，综合抗震性能良好， 拉索减震支座和弹性索体系的综合抗震方式具有可行性，有推广的价值。