高烈度区软弱场地独塔斜拉桥合理约束体系研究

胡 进

(中铁二院工程集团有限责任公司 成都 610036)

独塔斜拉桥因其具有较大的跨越能力和良好的景观效果得到了广泛运用。据统计，90%以上的独塔斜拉桥采用塔、墩、梁固结体系[1]。固结体系有利于提高独塔斜拉桥的整体刚度、减小主梁竖向变形、减小桥塔顺桥向水平位移，对于结构的静力性能大有裨益[2]。但对于抗震控制的独塔斜拉桥采用固结体系往往需要增大截面尺寸和配筋才能满足抗震要求，不经济且不合理，不宜作为首选方案。

某独塔斜拉桥位于高烈度区软弱场地，不仅基本地震动峰值加速度大，而且特征周期长，更多振型反应谱值落于反应谱函数平台段，地震响应强烈，抗震控制结构设计。本文以该桥为背景，拟通过建立全桥抗震模型，分析高烈度软弱场地的地震响应，得出纵、横向合理的抗震约束边界。在此基础上，针对静力、动力不同的边界需求提出约束体系方案，并给出支座阈值的设计思路及计算公式。

1 工程概况、软弱场地地震特性

广州某市政桥梁为预应力混凝土双索面独塔斜拉桥，桥跨布置为135 m+135 m，桥型见图1，主梁采用双边箱梁，断面见图2，梁高2.7 m，桥宽28.5 m，标准梁段长6 m，桥塔采用H形索塔，总高度为84 m，塔柱为钢筋混凝土结构，塔柱横梁为预应力混凝土结构。全桥共设20对斜拉索，主梁上索距为6 m，桥塔上索距为1.8 m。主塔及过渡墩均采用群桩基础。

图1 某独塔斜拉桥桥型图(单位：m)

图2 主梁断面图(单位：cm)

该桥位于河口三角洲地带，软土深厚，场地软弱，特征周期长，其值为0.8 s。桥位处抗震烈度高，基本地震动峰值加速度0.153g。

根据软弱场地特征周期长的特点，由JTG/T 2231-01-2020《公路桥梁抗震设计规范》[3]第5.2条可知，反应谱函数(见式1)下降段谱值与特征周期Tg成正比，同加速度峰值情况下长周期场地结构地震响应比短周期场地强烈，同峰值加速度长短周期反应谱曲线对比见图3。如某场地峰值加速度为0.15g，特征周期为0.8 s，其下降段等同于峰值加速度0.3g、特征周期为0.4 s的场地，详见图4。可见长特征周期场地的结构地震响应强烈，因此该类场地应重点关注结构的抗震设计。

图3 同峰值加速度长短周期反应谱曲线对比

图4 同反应谱下降段曲线对比

反应谱函数

式中：T为周期，s；T0为反应谱直线上升段最大周期，取0.1 s；Tg为特征周期，s；Smax为设计加速度反应谱最大值，g。

2 地震动输入

运用时程分析法进行地震响应分析时采用了地震安评报告提供的3条100年4% 超越概率的加速度时程曲线，该水准峰值加速度为0.214g。图5为其中1条典型的加速度时程曲线，图6为3条时程曲线对应的反应谱。地震方向组合分别考虑顺桥向+竖向地震输入和横桥向+竖向地震输入。

图5 加速度时程曲线

图6 加速度反应谱曲线

3 有限元模型建立

采用midas Civil 建立全桥抗震模型见图7。主梁、主塔、桥墩、桩基采用梁单元模拟，斜拉索采用桁架单元模拟，采用恩斯特修正考虑拉索的垂度效应。桩土作用采用m法计算土弹簧模拟，m值根据软土特性按规范取较小值。不考虑承台底淤泥深度内土的约束，此范围桩基不施加土弹簧；黏滞阻尼器采用Maxwell模型模拟，活动球钢支座按照CJJ 166-2011《城市桥梁抗震设计规范》[4]第6.2.6条规定采用双线性滞回曲线模拟，阻尼采用瑞利阻尼。

图7 抗震计算模型

4 地震状况独塔斜拉桥合理约束体系

一般情况，结构的纵向地震响应主要由纵向地震波引起，横向地震响应主要由横桥向地震波引起[5-6]。因此可在纵横向分别设置多种工况进行分析以探讨各自方向合理的约束体系。

4.1 纵桥向不同约束体系地震响应分析

纵向地震分析共设置4种工况。工况1：塔墩梁采用固结体系；工况2：塔梁间设置固定铰接；工况3：塔墩梁采用半漂浮体系(塔梁间仅有竖向支撑)；工况4：在工况3基础上塔梁间增设纵向阻尼器。全桥共6个支座，其位置分布见图8。各工况纵向约束见表1，计算结果见表2。

图8 支座位置图(单位：m)

表1 各墩纵桥向约束表

表2 纵桥向不同约束方式下内力和位移对比表

由表2可知，半漂浮体系因纵向除拉索外无任何约束，塔底弯矩、梁端、塔顶纵向位移均最大，梁端位移达到了0.924 m，对梁缝宽度需求大，伸缩缝安装困难，不推荐此方案。固定铰接方案因塔梁处支座的纵向剪切力为49 885 kN，远大于支座产品抗剪能力，该方案不可行。固结方案梁端位移和塔顶纵向位移最小，但因本文4.2节横桥向采用固结后主梁将承受很大的横向弯矩，因此不推荐此方案。黏滞阻尼器方案通过阻尼器消能减震可有效降低塔底弯矩，同时梁端位移适中，还可通过阻尼器参数调整来灵活地兼顾梁端位移及塔底弯矩的双控目标，因此在纵桥向推荐此方案。

4.2 横桥向不同约束体系地震响应分析

横向地震分析共设置6种工况，各工况约束见表3。因独塔斜拉桥在横向地震时主梁的横向弯矩很大，因此将主梁的横向弯矩也作为对比项，各工况计算结果见表4。

拓展项目评审内涵。发挥专业技术审核作用，从政策制度依据是否充分、技术方案是否合理、建设内容是否合规等方面入手，对于重复申报、不符合政策的项目，终止评审并向资金管理处（科）室提出取消项目或者不予安排财政资金的意见建议。

表3 各墩横桥向约束表

表4 各工况各桥墩内力、位移、支座剪力对比表

由表4可知，工况1(所有支座无横向约束)主梁主塔的横向地震力最小，但由于主梁横桥向仅靠拉索提供过柔的支撑使得地震下主梁的横向位移最大，达到了1.769 m，这表明主梁与边墩盖梁挡块以及主梁与塔臂内侧需留足够宽的距离以避免相撞。工况2与工况4约束相似，主梁在主塔处横向固结(或固定)，横向地震作用下主梁呈现大悬臂梁受力状态，主塔位置处主梁的横向弯矩最大，约2 000 000 kN·m。工况3～5支座水平剪切力分别为25 608，51 833，52 249 kN,支座剪切力过大，此三方案不可行。工况6为边墩、主塔处均设置阻尼器的方案，结果表明，阻尼器能够有效降低结构的地震力，同时可以降低梁端位移。

4.3 抗震合理约束体系

通过纵横向不同工况的对比分析可知，该桥宜采用塔梁分离的半漂浮体系，同时纵横向均设置黏滞阻尼器。地震状况合理约束体系见图9。

图9 地震状况合理约束体系(单位：m)

5 静力状况合理约束体系

由上文可知，地震作用时结构宜处于半漂浮状态，同时纵横向阻尼器发挥消能减震作用。但这种仅有竖向支撑纵横向无约束的边界，对于静力荷载将使主梁像荡秋千一样产生过大的位移，一方面影响行车舒适性，另一方面容易引起梁端伸缩装置的破坏。经计算，纵向运营风作用下主梁产生0.09 m的纵向位移，汽车制动力作用下主梁将产生0.061 m的纵向位移，因此这种边界不适合静力需求。

对于独塔斜拉桥，静力作用时宜像2跨连续梁一样设置支座的约束边界，结构处于纵横向均有约束的状态，静力合理约束体系见图10。

图10 静力合理约束体系(单位：m)

6 兼顾静动力需求的可变约束体系(限力熔断支座设计)

为了兼顾静动力的受力需要，结构边界可采用可变的约束体系。本文采用限力熔断支座来解决两状态的不同边界需求。

限力熔断支座是在滑动支座的基础上增设限位挡块，挡块的水平承载能力作为支座的阈值，当水平力小于阈值时，支座处于固定状态；当水平力大于阈值时，挡块剪断，支座处于滑动状态。

限力熔断支座阈值可按以下方法确定。

2)假定支座固定，求解E1地震作用下支座的水平力F2。

3)假定支座固定，求解静力标准组合下支座的水平力F3。

4)按照式(2)确定阈值F的范围。

K1×F3

(2)

式中：K1、K2为安全系数，分别取1.1,1.2。

对于本桥，兼顾静动力受力合理的约束体系为限力熔断支座+黏滞阻尼器方案，支座阈值设为3 500 kN，该方案约束体系见图11。

图11 熔断支座+黏滞阻尼器约束体系(单位：m)

7 结论

1)河口三角洲地区软土分布深厚，反应谱特征周期长，结构地震响应强烈，独塔斜拉桥宜采用半漂浮体系配合黏滞阻尼器的约束方案，可进行阻尼器的参数调整较好的兼顾受力与位移需求。

2)高烈度地区的桥梁可采用限力熔断支座配合黏滞阻尼器方案解决静力工况和地震工况不同受力状态下的边界需求。

3)塔墩梁固结的独塔斜拉桥在横向地震作用下主梁将承受很大横向弯矩，因此主梁横向地震响应及承载能力也应重点关注。