高烈度地区深水位高塔斜拉桥合理抗震体系研究

斜拉桥结构约束体系主要包括纵横两个方向。对主梁与桥塔（塔墩）间非固结的大跨径斜拉桥，两个方向的约束体系具有独立性。纵向约束体系对桥梁整体结构受力行为影响很大，是结构约束体系的主要特征；横向约束体系则对桥梁横向受力有直接影响。斜拉桥由于跨度大和结构柔性，在动力方面具有不同于一般工程结构的特殊性[1]。

作为大跨度桥梁中使用率较高的斜拉桥，国内外很多学者对其约束体系进行了研究。冯云成等[2]以厦漳跨海大桥南汊主桥的叠合梁斜拉桥方案为例，研究了塔梁、墩梁间横桥向四种约束体系对该桥横桥向抗震性能的影响；叶爱君等[3]分析了采用粘滞流体阻尼器的横向约束体系对超大跨度斜拉桥地震反应的影响；姜增国等[4]研究了弹性拉索和粘滞阻尼器两种减震装置对大跨斜拉桥地震响应的影响；徐秀丽等[5]通过对苏通大桥横向减震控制的研究分析，认为横向采用局部减震体系最为合理；方圆等[6]以嘉兴—绍兴跨江通道的一座大跨斜拉桥为工程背景，研究了桥塔与主梁之间不同约束形式对结构动力特性的影响；郝超等[7]以主跨618 m的武汉白沙洲长江大桥为工程背景，计算了不同主梁纵向约束方式下斜拉桥在地震作用下的响应。斜拉桥形式多样，各种结构体系的抗震性能也有明显差别，虽然国内外对斜拉桥的地震反应进行了广泛的研究，但是对斜拉桥不同约束体系的研究结论还远远不够，得到的结果也并不一致。

本文以云南某斜拉桥为工程背景，通过改变主桥上下部结构之间的连接方式，来实现对桥梁纵横向不同约束体系的模拟，对比分析了不同纵横向结构体系对桥梁抗震性能的影响，提出了一种适宜高塔斜拉桥的抗震结构体系，为类似工程的抗震研究和设计等提供依据。

1 工程概况

桥梁主跨320 m，边跨140 m，全长700 m。主梁采用钢混组合梁，全宽32 m，标准索距12.6 m，边跨部分索距加密为7.5 m，钢主梁高2.8 m，钢横梁中心高度2.6 m，钢筋混凝土桥面板厚26 cm。主桥索塔采用H型塔，一侧（东川）索塔高250.5 m，蓄水位以下高度102 m；另一侧（巧家）索塔高190 m，蓄水位以下高度41.5 m。桥址处于小江构造断裂带附近，小江断裂带具有高速活动性，是云南地区最强烈的地震发生带，桥址处设计基本地震加速度0.2g，50 a2%超越概率下地震加速度峰值为5 m/s2。

2 有限元模型及动力特性分析

采用有限元分析软件SAP2000建立了桥梁全桥空间有限元模型，见图1。

主梁、桥墩、基础均采用空间Beam单元进行建模，支座采用Link单元模拟。采用m法模拟桩-土相互作用，采用Morison附加水质量法考虑墩-水动力相互作用。特征方程求解利用Ritz模态分析了前500阶动力特性，前10阶振型结果见表1。

图1 桥梁空间动力有限元模型

表1 桥梁动力特性描述

3 结构抗震体系对比研究

针对不同抗震体系下的地震响应进行对比，对纵横向分别进行分析，计算采用E2地震进行输入。由于体系对比中计算工况较多，采用瑞利阻尼计算工作量巨大，本文计算采用常阻尼进行，阻尼比取0.03。见表2。

表2 桥梁抗震体系比选方案

以地震输入能量、塔底弯矩、梁端和塔顶位移、主梁地震响应为控制指标将纵横向不同抗震体系进行对比分析。

3.1 地震输入能量

不同抗震体系地震总输入能量见图2。

图2 不同抗震体系地震总输入能变化曲线

从图2可以看出，不同抗震体系纵横向的总地震输入能量略有不同。就纵向抗震体系而言，“半漂浮体系”下的结构总输入能量最少，安装阻尼器或弹性索的方案结构总输入能均有所增大，但总体最大相差7%以内，而且考虑到安装阻尼器的方案中阻尼器有耗能作用，因此从能量角度上难以反映结构的总体地震响应大小。就横向抗震体系而言，“塔梁新型抗风支座”方案总输入能最小，相对“抗风支座+软钢阻尼器”方案减小12%左右，从输入能量的角度看，“塔梁新型抗风支座方案”是最优方案。

3.2 关键截面地震响应

由于斜拉桥的塔底截面为其地震响应较大部位，因此，以东川侧水中塔柱底部弯矩为例，进行不同抗震体系的比较。见图3。

图3 东川侧水下塔柱底弯矩

从图3a可以看出：纵向不同抗震体系中，对塔底弯矩改善最大的为“半漂浮+梁端弹性索+阻尼器”方案，纵向弯矩比原方案减小6.69%；其次为“半漂浮+塔梁弹性索+阻尼器”方案，纵向弯矩比原方案减小5.28%；未设置阻尼器方案，塔底纵向弯矩有一定的增大。因此，设置阻尼器对塔底弯矩有一定的控制作用。从图3b可以看出：横向不同抗震体系中，“塔梁新型抗风支座（弹性索加阻尼）”方案对桥塔地震响应控制最优，其次为“抗风支座+软钢阻尼器（原方案）”方案，设置弹性索的方案最差。相比于原方案，新型抗风支座能减小东川侧塔底横向弯矩1.84%。

3.3 地震位移响应

对纵向不同抗震体系地震作用下主梁端部位移进行对比分析。见图4。

从图4可以看出，设置弹性索体系中，由于弹性索约束刚度较小，该体系对梁端纵向位移约束作用不大，但弹性索和阻尼器组合使用的体系对梁端位移控制效果优于仅用阻尼器的减震方案。对于梁端纵向位移响应而言，最优体系为“半漂浮+梁端弹性索+阻尼器”方案，相对原方案，梁端位移分别减小10%和3.5%左右。

以东川侧梁端位移和塔梁相对位移为例，对比横向不同抗震体系地震作用下的桥梁位移响应。见图5。

图4 不同纵向抗震体系梁端位移对比

图5 不同横向抗震体系梁端位移对比

从图5可以看出，“抗风支座+软钢阻尼器”方案及“塔梁-过渡墩弹性索”方案均会造成梁端位移的大幅增大，而“塔梁新型抗风支座”方案的梁端和塔梁相对位移控制，在几种方案中为最优。

4 结论

1）对于地震输入能量而言，不同纵向抗震体系总体相差不大，在7%以内；横向抗震体系中，“塔梁新型抗风支座”方案总输入能最小，相对“抗风支座+软钢阻尼器”方案减幅达12%。

2）对于关键截面内力而言，纵向抗震不同体系中，由于设置阻尼器对塔底弯矩有一定的控制作用，“半漂浮+梁端弹性索+阻尼器”体系对塔底弯矩改善最大，纵向弯矩减小7%；不同横向抗震体系对塔底横向弯矩的影响不大，变动在2%以内。

3）对于关键点位移而言，不同纵向抗震体系中，设置弹性索体系对梁端纵向位移约束作用不大，但弹性索和阻尼器组合使用的体系对梁端位移控制效果优于仅用阻尼器的减震方案；横向抗震体系中，“塔梁新型抗风支座”体系明显优于其他体系。

4）综合来看，纵向选用“半漂浮+梁端弹性索+阻尼器”体系，横向选用“塔梁新型抗风支座”体系的抗震性能最优。