方 圓， 席 進(jìn)

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

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塔梁固接獨(dú)塔斜拉橋抗震設(shè)計方法研究

方 圓， 席 進(jìn)

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

以某獨(dú)塔單索面斜拉橋?yàn)楣こ虒?shí)例，通過對比不同約束體系下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的特點(diǎn)，闡述了延性抗震及減隔震設(shè)計方法的原理。通過對比兩種抗震設(shè)計思路下結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)，對合理抗震體系的特征和各組成部分進(jìn)行了系統(tǒng)剖析,并闡明橋梁合理抗震體系設(shè)計的關(guān)鍵性,以期為橋梁工程師的抗震設(shè)計提供參考。

獨(dú)塔斜拉橋；延性抗震設(shè)計方法；減隔震設(shè)計方法；抗震體系；拉索支座

0 引言

獨(dú)塔斜拉橋由主塔、斜拉索、主梁和橋面系及連接裝置等組成。獨(dú)塔斜拉橋的大部分質(zhì)量集中在主梁和橋面系上，因此地震荷載作用下的慣性力也主要集中在主梁和橋面系上[1-2]。對于塔梁固接體系的獨(dú)塔斜拉橋而言，縱向剛度較大，結(jié)構(gòu)周期較短，可以有效地控制地震荷載作用下聯(lián)端縱向位移，因此，一般情況下過渡墩、輔助墩均設(shè)置活動支座，可以達(dá)到縱向位移控制與縱向地震力之間的平衡。對于塔梁固接獨(dú)塔斜拉橋橫向結(jié)構(gòu)體系，過渡墩和輔助墩與主梁連接的組合直接影響地震時傳到各墩的慣性力。因此確定該類型斜拉橋合理的結(jié)構(gòu)橫向約束體系至關(guān)重要[3-5]。另一方面，針對塔梁固接獨(dú)塔斜拉橋各種連接裝置的減振機(jī)理及抗震設(shè)計方法進(jìn)行的系統(tǒng)分析較少，張文學(xué)等[6]針對低重心矮塔斜拉橋的地震反應(yīng)特點(diǎn)進(jìn)行了研究；黃小國等[7]對地震作用下獨(dú)塔斜拉橋的合理約束布置體系進(jìn)行了探討；袁萬城[8]對拉索減震支座的減震機(jī)理以及在梁橋上的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

以環(huán)巢湖旅游大道上一座典型的獨(dú)塔斜拉橋白石天河大橋?yàn)樗憷瑢θN橫向支座布置體系情況下的地震反應(yīng)進(jìn)行了分析；在一種橫向約束布置體系的基礎(chǔ)上，分別對采用延性抗震設(shè)計方法、減隔震設(shè)計的抗震設(shè)計方法進(jìn)行了比較研究。

1 工程概況

1.1 結(jié)構(gòu)概況

白石天河橋主橋采用的跨徑布置：75+135+40=250 m，為單索面獨(dú)塔斜拉橋，縱向?yàn)樗汗探Y(jié)體系，如圖1所示。主梁采用混合梁形式，主跨采用鋼箱梁，梁高2.80 m，寬27.5 m，如圖2所示；邊跨采用單箱5室混凝土梁，梁高2.80 m寬27.5 m，如圖3所示。

混凝土箱梁橋面鋪裝按5 cm混凝土+8 cm瀝青混凝土計算質(zhì)量，鋼箱梁橋面鋪裝按6 cm瀝青混凝土計算質(zhì)量。

圖1 橋跨布置示意圖(單位：cm)

圖2 鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面(單位：mm) 圖3 混凝土梁標(biāo)準(zhǔn)斷面(單位：mm)

過渡墩采用樁柱式橋墩，每個墩處有一排橋墩，一排共4個，橋墩采用圓形截面，直徑1.8 m，橋墩下樁基為直徑2.0 m的鉆孔灌注樁。輔助墩采用分離式獨(dú)柱式橋墩，橋墩采用方形截面，順橋向2.2 m，橫橋向4.0 m，承臺厚度3.0 m，順橋向?qū)?.0 m，橫橋向?qū)?9.7 m，每個橋墩下采用4根2.0 m直徑的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

1.2 橫向約束布置體系

橋墩、主梁之間的兩種約束布置體系如表1所示。

表1 主要構(gòu)件計算結(jié)果匯總

注：表中“0”表示放開，“1”表示限位，“s”表示彈性限位。

由表1所示，體系1、體系2均為常用的約束布置方式，兩種約束布置體系區(qū)別在于輔助墩支座是否具有橫向限位功能。體系2、體系3的區(qū)別在于采用完全限位或彈性限位。

2 地震動輸入及動力分析模型

2.1 地震動輸入

采用“地震動安全性評價報告”提供的反應(yīng)譜及相應(yīng)匹配的地震波進(jìn)行地震反應(yīng)分析。對于體系1、體系2兩個常規(guī)橫向約束布置結(jié)構(gòu)體系，采用反應(yīng)譜分析方法；對于體系3結(jié)構(gòu)體系，考慮減隔震拉索支座的非線性力學(xué)行為，采用非線性時程方法進(jìn)行地震反應(yīng)分析。設(shè)計反應(yīng)譜如圖4所示，兩個概率水準(zhǔn)地震波的加速度反應(yīng)譜如圖5所示。

2.2 動力分析模型

通過Sap2000有限元分析軟件，采用空間有限單元法建立主橋結(jié)構(gòu)計算模型，其中主塔、主梁、橋墩均采用空間梁單元模擬；主梁采用單梁式力學(xué)模型；斜拉索采用空間桁架單元；對于主塔、拉索、過渡墩及輔助墩考慮了由于恒載作用而引起的軸力，對幾何剛度進(jìn)行了修正；在承臺質(zhì)心采用集中質(zhì)量模擬承臺的作用。在承臺底部采用6個方向彈簧(6×6 剛度矩陣)模擬樁基和土層的共同作用。動力計算模型如圖6所示。

圖4 兩個概率水準(zhǔn)設(shè)計加速度反應(yīng)譜

圖5 兩個概率水準(zhǔn)地震波加速度反應(yīng)譜

非線性動力模型主要用于體系3、E2地震工況的時程分析，非線性因素主要考慮了過渡墩上拉索減震支座橫向剪力鍵剪斷后的非線性(如圖7)以及輔助墩上球鋼支座的滑動摩擦效應(yīng)(如圖8)。

圖6 動力有限元分析模型 圖7 拉索支座非線性力-位移關(guān)系 圖8 理想彈塑性模型

3 地震反應(yīng)分析

3.1 橫向約束體系地震反應(yīng)比較

通過反應(yīng)譜方法對E2地震(橫向+豎向)輸入下，體系1、體系2各橋墩的地震反應(yīng)進(jìn)行了比較，如表2所示。

表2 不同橫向約束體系下地震反應(yīng)比較

通過表2計算結(jié)果可知：

(1)橫向約束體系布置對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響很大；10#輔助墩橫向約束釋放后，明顯減小了輔助墩墩底彎矩，9#過渡墩及橋塔底部地震反應(yīng)也有一定的降低。

(2)通過調(diào)整約束體系布置，起到合理分配地震力的作用；體系2釋放10#輔助墩支座的橫向約束后，采用相同構(gòu)造設(shè)計的9#、12#過渡墩地震反應(yīng)基本相同，并較體系1中9#過渡墩的地震彎矩減小了30%。

3.2 延性抗震設(shè)計

體系1、體系2墩、梁之間采用球型支座，結(jié)構(gòu)按照延性體系進(jìn)行抗震設(shè)計。以體系2為例，E1、E2地震橫向作用下橋墩強(qiáng)度驗(yàn)算如表3所示。

表3 橋墩抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算

由表3所示的計算可以看出，E1地震作用下，各橋墩及橋塔均處于彈性工作狀態(tài)；E2地震作用下，9#、12#過渡墩處于塑性工作狀態(tài)；通過延性設(shè)計使橋墩具有足夠的塑性變形能力，從而確保結(jié)構(gòu)不倒塌。橋墩變形能力驗(yàn)算如表4所示。

表4的計算結(jié)果表明：E2橫向地震作用下，9#、12#過渡墩進(jìn)入塑性工作狀態(tài)，但塑性變形能力大于地震位移需求，位移延性滿足要求。

由于E2地震作用下，9#、12#過渡墩已進(jìn)入塑性工作狀態(tài)，相應(yīng)樁基的地震反應(yīng)需要按照能力保護(hù)的計算方法確定。表5所示為按照能力保護(hù)方法進(jìn)行的樁基強(qiáng)度驗(yàn)算。

由表5的計算可知，E2橫向地震作用下，樁基配筋率達(dá)到2.0%的情況下抗彎強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

通過上述延性抗震設(shè)計的方法，E1、E2橫向地震作用下，結(jié)構(gòu)可以達(dá)到的性能目標(biāo)如表6所示。

表5 能力保護(hù)樁基抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算

表6 可以達(dá)到的性能目標(biāo)

3.3 減隔震設(shè)計

從抗震原理上看，減隔震技術(shù)與延性抗震設(shè)計是類似的。兩者都是通過延長周期以避開地震能量集中的周期范圍，并且增大阻尼以耗散能量來達(dá)到減小地震反應(yīng)的目的。體系3采用的減隔震措施為：在體系2的基礎(chǔ)上，釋放9#、12#支座的橫向約束，采用具有一定自由行程的拉索支座。

拉索支座的工作原理為：在設(shè)定的自由行程內(nèi)，通過球型活動支座的摩擦起到隔震效果，當(dāng)滑動位移達(dá)到設(shè)定值后，通過彈性拉索進(jìn)行限位。這種通過可控狀態(tài)下的約束釋放便是減隔震設(shè)計思想的體現(xiàn)，并且可以達(dá)到非常理想的減隔震效果。表7所示為E2地震作用下體系2與體系3結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的比較，表8為聯(lián)端主梁橫向位移的計算。

表7 延性、減隔震體系地震反應(yīng)比較

表8 聯(lián)端主梁橫向位移的比較

通過表7、表8的計算可以看出，采用拉索支座的減隔震設(shè)計，有效減小了過渡墩的地震反應(yīng)，墩底彎矩僅為相應(yīng)延性抗震體系中地震彎矩的1/3。同時，由于E2橫向地震作用下橋塔基本處于彈性工作狀態(tài)，主梁殘余位移很小。因此，從地震力及地震位移兩個方面可以看出，采用拉索支座的減隔震體系對于結(jié)構(gòu)的抗震性能有明顯的提高[8-9]。

4 結(jié)論

以環(huán)巢湖旅游大道白石天河大橋?yàn)楣こ虒?shí)例，分別采用延性抗震設(shè)計方法、減隔震設(shè)計方法對不同約束體系下塔梁固接獨(dú)塔斜拉橋的地震反應(yīng)進(jìn)行了分析，通過對比兩種抗震設(shè)計思路下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特點(diǎn)，對合理抗震體系的特征和各組成部分進(jìn)行系統(tǒng)剖析，闡明橋梁合理抗震體系設(shè)計的關(guān)鍵性，得出以下結(jié)論：

(1)橫向約束體系布置對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響很大，不同約束體系下的地震力分配有很大差別?？拐鹪O(shè)計時，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對約束布置體系進(jìn)行比較優(yōu)化，通過調(diào)整約束體系布置，達(dá)到合理分配地震力的目的。

(2)減小結(jié)構(gòu)地震受力的同時，控制地震位移是減隔震設(shè)計的關(guān)鍵。拉索支座的應(yīng)用是減隔震設(shè)計思想的完美體現(xiàn)，正常運(yùn)行情況下拉索支座橫向通過支座自帶的剪力鍵保證橫向約束，地震達(dá)到一定程度后，剪力鍵剪斷，拉索起限位作用。

[1]范立礎(chǔ)，胡世德，葉愛君．大跨度橋梁抗震設(shè)計[M]．北京：人民交通出版社，2001．

[2]范立礎(chǔ)編著．橋梁工程[M]．北京：人民交通出版社，1997．

[3]葉愛君，范立礎(chǔ)．超大跨度斜拉橋的橫向約束體系[J]．中國公路學(xué)報，2007，20(2)：63-67．

[4]莊鑫，李建中，王瑞龍．橫向抗震擋塊對橋梁抗震性能的影響分析[J]．石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014，27(1)：14-18．

[5]李自林，馬嘉蓬，劉治德．非對稱矮塔斜拉橋橋塔抗震性能分析[J]．石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，26(4)：15-19．

[6]張文學(xué)，李建中，李懷峰．低重心斜拉橋地震響應(yīng)特性研究[J]．橋梁建設(shè)，2007(5)：21-23．

[7]黃小國，李建中，郭磊．地震作用下獨(dú)塔斜拉橋合理約束體系[J]．結(jié)構(gòu)工程師，2008(6)：29-35．

[8]袁萬城，韋正華，曹新建，等．拉索減震支座及橋梁抗震設(shè)計應(yīng)用研究[J]．工程力學(xué)，2011(S2)：204-209．

[9]管仲國，李建中．城市快速路高架橋抗震體系選擇與經(jīng)濟(jì)性對比[C]//第十九屆全國橋梁會議論文集(下冊).北京：人民交通出版社，2010：617-626．

Study on Seismic Design Method of Single Tower Cable-stayed Bridge with Tower Beam Consolidation

Fang Yuan， Xi Jin

(Anhui Transport Consulting & Design Institute Co., Ltd., Hefei 230088, China)

By taking a typical single tower cable-stayed bridge as studying object, the seismic responses of single tower cable-stayed bridge with different longitudinal constraint systems and lateral constraint systems are calculated. Principles of two seismic design methods, seismic design for ductility and seismic isolation, are expatiated.The reasonable design of bridge earthquake resistance system is clarified by systemically analyzing the characteristics and components of reasonable earthquake resistance system, which may provide reference for bridge engineers in the bridge seismic design.

single tower cable-stayed bridge; seismic design for ductility; seismic isolation design; earthquakeresistance system; cable-sliding friction seismic bearing

2014-08-16 責(zé)任編輯:車軒玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2015.04.06

方圓(1982-), 男, 博士, 工程師，主要從事橋梁抗震的研究。E-mail: fangyuand1@163.com

U488.25

A

2095-0373(2015)04-0029-05

方圓，席進(jìn).塔梁固接獨(dú)塔斜拉橋抗震設(shè)計方法研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2015,28(4):29-33.