馮英驥

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

【關(guān)鍵詞】：大跨度；斜拉橋；高烈度；抗震體系；地震響應(yīng)

【中圖分類號(hào)】：U448.27【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：C【文章編號(hào)】：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(shè)計(jì)規(guī)范和鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)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(shù)設(shè)計(jì)規(guī)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(nèi)外很多學(xué)者對(duì)斜拉橋約束體系進(jìn)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(duì)超大跨度斜拉橋地震反應(yīng)的影響，研究重點(diǎn)包括阻尼器的合理設(shè)置方式及阻尼器參數(shù)對(duì)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(guān)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?yàn)楸尘?，深入研究了拉索減震支座的應(yīng)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(shè)計(jì)方案為背景，研究不同橫向約束結(jié)構(gòu)體系對(duì)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(dòng)體系及橫向布置鋼阻尼器的減隔震體系對(duì)斜拉橋橫向地震響應(yīng)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(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

工程中應(yīng)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(jī)理不同，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)減隔震性能的提升能力也各不相同；因此，對(duì)斜拉橋抗震體系分析研究還需進(jìn)一步深化。

本文以潮汕環(huán)線高速公路榕江特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，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(duì)比分析不同縱橫向結(jié)構(gòu)體系對(duì)橋梁地震響應(yīng)的影響規(guī)律，提出一種合理的高烈度地區(qū)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(fēng)嘴的扁平流線形鋼箱梁截面，梁頂寬33.56 m（不計(jì)風(fēng)嘴）、底板寬26.11 m、梁高3.5 m。索塔為鉆石形結(jié)構(gòu)，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(duì)稱設(shè)置輔助墩、過渡墩，均采用矩形空心墩。

項(xiàng)目區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度，地震動(dòng)峰值加速度為0.20g，地震烈度高，峰值加速度大。根據(jù)大橋地震安全性評(píng)估報(bào)告提供的重現(xiàn)期475 a（E1 水平）和重現(xiàn)期 2 000 a（E2 水平）的兩水平地震加速度時(shí)程曲線及JTG/T 2231-01—2020《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，地震動(dòng)輸入考慮橫向+豎向。本文主要針對(duì)縱橫向抗震體系進(jìn)行研究，選取E2地震輸入，取3條波的結(jié)果最大值進(jìn)行對(duì)比分析。見圖1。

2 有限元模型及動(dòng)力特性分析

采用SAP2000 Nonlinear有限元軟件建立三維動(dòng)力有限元模型，進(jìn)行抗震性能分析，考慮主橋與相鄰聯(lián)的耦合振動(dòng)影響，南北側(cè)引橋各建立一聯(lián)。模型均以順橋向?yàn)閄軸、橫橋向?yàn)閅軸、豎向?yàn)閆軸；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(xué)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(yīng)及恒載幾何剛度的影響；各處基礎(chǔ)采用m法模擬樁-土效應(yīng)。見圖2。

時(shí)程分析按照瑞利阻尼模型選取結(jié)構(gòu)阻尼，其中瑞利阻尼的第一階振型取結(jié)構(gòu)的基本振型，第二階振型取有效質(zhì)量率最大的振型。結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析中特征方程求解采用子空間迭代法，計(jì)算至500階，每個(gè)方向的有效質(zhì)量參與比均達(dá)到90%以上。

3 結(jié)構(gòu)抗震體系研究

3.1 分析工況

在塔梁結(jié)合處分別采用縱向約束、縱向漂浮、縱向設(shè)置黏滯阻尼器（阻尼常數(shù)C=3 000、速度指數(shù)ξ=0.4）、縱向設(shè)置彈性約束（剛度k1=1×105 kN/m）的方式進(jìn)行縱向地震響應(yīng)分析；分別采用橫向約束、橫向放松、橫向設(shè)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(shè)置彈性約束（剛度k3=1×103 kN/m）等方式進(jìn)行橫向地震響應(yīng)分析。

3.2 縱向抗震體系

選取主塔塔底截面內(nèi)力響應(yīng)、主塔下樁基礎(chǔ)頂部截面內(nèi)力響應(yīng)、主橋兩側(cè)梁端位移響應(yīng)和塔頂位移響應(yīng)4個(gè)指標(biāo)，對(duì)不同縱向約束體系的抗震性能進(jìn)行比較研究。

3.2.1 關(guān)鍵截面內(nèi)力響應(yīng)

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(shè)置塔梁間縱向阻尼器對(duì)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(nèi)力響應(yīng)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(guān)鍵位置位移響應(yīng)

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(dá)到1.1 m左右。因此，對(duì)于梁端和塔頂位移響應(yīng)而言，阻尼器體系最優(yōu)。見圖4。

3.3 橫向抗震體系

選取主塔塔底截面內(nèi)力響應(yīng)、主塔下樁基礎(chǔ)頂部截面內(nèi)力響應(yīng)及塔梁間橫向位移響應(yīng)3個(gè)指標(biāo)，對(duì)不同橫向約束體系的抗震性能進(jìn)行比較研究。

3.3.1 關(guān)鍵截面內(nèi)力響應(yīng)

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(shè)置塔梁間橫向設(shè)置拉索支座體系對(duì)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(nèi)力響應(yīng)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(nèi)。見圖6。

3.3.2 關(guān)鍵位置位移響應(yīng)

不同約束體系的塔梁間相對(duì)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(duì)位移較小，在0.5 m范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求，放松體系與彈性約束體系的塔梁間相對(duì)位移較大，達(dá)到0.8 m以上。見圖7。

4 結(jié)論

1）塔梁間縱向設(shè)置阻尼器可以有效降低主塔、樁基礎(chǔ)及主梁的地震響應(yīng)。

2）相比與放松體系和彈性約束體系，橫向設(shè)置拉索支座可以很好地控制塔梁間相對(duì)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(chǔ)產(chǎn)生的地震響應(yīng)相對(duì)較低。

參考文獻(xiàn)：

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[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(shè)計(jì)方法[J]. 土木工程學(xué)報(bào)，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(jié)構(gòu)體系的選擇[C].中國土木工程學(xué)會(huì)，中國工程院土木、水利與建筑工程學(xué)部，中國土木工程學(xué)術(shù)防災(zāi)減災(zāi)工程技術(shù)推廣委員會(huì)，合肥工業(yè)大學(xué).工程防震減災(zāi)新技術(shù)、新進(jìn)展和新應(yīng)用（下）.合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2016：210-219.

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