鄧祖龍

（中國(guó)鐵建股份有限公司華中區(qū)域總部，南京 211899）

1 引言

我國(guó)西部地區(qū)地形地貌多變， 橋梁不可避免要跨越山區(qū)峽谷，斜拉橋作為一種大跨度橋式結(jié)構(gòu)，在200～700 m 跨度范圍具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。 山區(qū)斜拉橋具有塔高和墩高的特點(diǎn)，如法國(guó)米約高架橋[1]最高橋墩245 m、我國(guó)湖南赤石大橋[2]最大墩高178 m。 由于山區(qū)地形起伏較大，橋跨也呈現(xiàn)出橋墩和橋塔高度和剛度差異。 目前，我國(guó)學(xué)者對(duì)高墩斜拉橋地震反應(yīng)分析進(jìn)行了大量研究。李立峰等[3]對(duì)高墩多塔斜拉橋縱向約束體系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明固結(jié)和彈性-固結(jié)體系為比較合理的縱向約束體系；李龍[4]研究了高墩斜拉橋地震反應(yīng)，重點(diǎn)分析了橋塔構(gòu)造對(duì)結(jié)構(gòu)抗震的影響。 然而不同構(gòu)造形式的斜拉橋受力特點(diǎn)不盡相同，超高墩斜拉橋自振周期較長(zhǎng)，高階陣型對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能產(chǎn)生較大影響，抗震設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，同時(shí)高低墩差異會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能帶來不利影響。 因此，進(jìn)一步研究超高墩斜拉橋的抗震性能具有重要意義。

本文以山區(qū)某超高墩雙塔斜拉橋?yàn)檠芯勘尘埃?建立全橋動(dòng)力有限元模型， 研究高墩斜拉橋在兩種設(shè)防水準(zhǔn)下的抗震性能，并根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)對(duì)墩、塔及樁基截面進(jìn)行驗(yàn)算，提出適用于該橋型的合理有效的抗震措施， 為今后同類橋梁的抗震設(shè)計(jì)提供參考。

2 工程背景

該山區(qū)超高墩雙塔斜拉橋橋跨布置如圖1a 所示，主橋采用200 m+400 m+200 m 組合梁斜拉橋， 主梁由外設(shè)挑臂鋼箱梁+混凝土橋面板組成鋼箱組合截面，鋼箱梁梁高3.22 m、寬7 m，混凝土橋面板厚28 cm，橋面寬31.5 m，雙向6 車道，橋面布置如圖1b 所示。 橋塔采用縱橋向人字形索塔，小里程側(cè)塔墩高76 m，下塔柱94.6 m，橋面以上塔高109.4 m；大里程側(cè)塔墩高86 m，下塔柱98.6 m，橋面以上塔高109.4 m，截面為內(nèi)八角形箱形截面，外設(shè)圓倒角，橋塔構(gòu)造如圖1c 所示。 斜拉索采用1860 鋼絞線拉索，最大規(guī)格為OVM250-85，最小規(guī)格為OVM250-34。 基礎(chǔ)采用30 根樁徑3.0 m 的鉆孔樁。 橋梁結(jié)構(gòu)體系為塔梁固結(jié)體系。

圖1 橋梁總體布置及結(jié)構(gòu)構(gòu)造(單位：cm)

3 地震反應(yīng)分析

3.1 動(dòng)力模型

主橋橋址處于Ⅱ類場(chǎng)地，基本地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期為0.45 s，地震基本烈度為Ⅵ度。以阻尼比為3%時(shí)50 年10%（設(shè)計(jì)地震作用）和50 年2%（罕遇地震作用）的加速度反應(yīng)譜為目標(biāo)譜，擬合不同設(shè)計(jì)水準(zhǔn)下的3條人工地震波，規(guī)范譜和地震動(dòng)加速度譜如圖2 所示。

圖2 地震動(dòng)加速度譜（阻尼比3%）

全橋有限元?jiǎng)恿Ψ治瞿Ｐ腿鐖D3 所示， 采用六彈簧模型模擬各群樁基礎(chǔ)的影響。 橋梁結(jié)構(gòu)體系為塔梁固結(jié)體系，在進(jìn)行動(dòng)力特性分析和設(shè)計(jì)地震分析時(shí)，邊墩支座縱向自由滑動(dòng)、橫向一側(cè)固定；罕遇地震分析時(shí)，考慮邊墩橫向固定支座剪壞。

3.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析結(jié)果見表1。 結(jié)果表明，主橋一階振型為主梁縱飄帶動(dòng)橋塔縱向彎曲振動(dòng)，自振周期4.980 s；二階陣型為主梁帶動(dòng)橋塔對(duì)稱橫彎， 周期為4.950 s， 與一階陣型較為接近，地震發(fā)生時(shí)第一、二階陣型的貢獻(xiàn)均較大；第三階陣型為主梁及橋塔橫向反對(duì)稱振動(dòng)。

表1 主橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

橋梁結(jié)構(gòu)的基本周期為4.980 s， 而設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的最長(zhǎng)周期為6 s，已包含了所需的長(zhǎng)周期成分。

3.3 地震反應(yīng)分析

按照兩階段設(shè)防，分別輸入設(shè)計(jì)地震作用（50 年內(nèi)超越概率為10%）和罕遇地震作用（50 年內(nèi)超越概率為2%）的場(chǎng)地加速度反應(yīng)譜，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行反應(yīng)譜分析，取前800 階振型，按CQC 方法進(jìn)行組合。地震輸入采用兩種方式：（1）縱向＋豎向；（2）橫向＋豎向。 豎向地震作用均取相應(yīng)水平地震動(dòng)的2/3，方向組合采用SRSS 方法。

3.3.1 結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)

在設(shè)計(jì)地震及罕遇地震作用沿“縱橋向+ 豎向”和“橫橋向+ 豎向”方向輸入下，主橋關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位移見表2。 設(shè)計(jì)地震橫向輸入時(shí)，過渡墩P4、P7 處的支座設(shè)有橫向固定支座，最大橫向剪力分別為1 820.22 kN、2 785.37 kN； 罕遇地震作用下，邊墩橫向固定支座剪斷，梁端橫向最大位移為366 mm。

表2 主橋關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移最不利響應(yīng)

3.3.2 內(nèi)力響應(yīng)及截面抗震驗(yàn)算

在設(shè)計(jì)地震及罕遇地震作用沿“縱橋向+ 豎向”和“橫橋向+豎向”方向輸入下，分別得到主橋各橋墩和索塔控制截面內(nèi)力反應(yīng)。 建立纖維單元模型，根據(jù)在恒載和地震作用下的軸力組合對(duì)主橋各橋墩、 橋塔的最不利控制截面進(jìn)行M-φ 分析，得出各控制截面的初始屈服彎矩和等效屈服彎矩，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗震性能驗(yàn)算。

在設(shè)計(jì)地震橫橋向+ 豎向輸入下結(jié)構(gòu)響應(yīng)控制設(shè)計(jì)，該工況下橋塔及橋墩各關(guān)鍵截面驗(yàn)算結(jié)果見表3。 結(jié)果表明，設(shè)計(jì)地震作用下，控制截面地震彎矩小于其初始屈服彎矩，截面保持為彈性工作狀態(tài)，滿足預(yù)期要求，同時(shí)能夠發(fā)現(xiàn)矮墩墩底截面相較于邊墩P4 更為不利。

表3 設(shè)計(jì)地震作用下墩塔各關(guān)鍵截面抗震驗(yàn)算結(jié)果(橫向+豎向輸入)

3.4 抗震措施研究

本橋設(shè)計(jì)采用了順橋向人字形橋塔、塔梁固結(jié)體系，提高了結(jié)構(gòu)的整體剛度。 通過抗震分析，在罕遇地震下，邊墩橫向固定支座剪斷，梁端橫向最大位移為366 mm。 為保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，宜在邊墩設(shè)置橫向限位或阻尼裝置[5]，主要抗震措施如下。

3.4.1 設(shè)置抗震擋塊

擋塊是一種最常見的橫向限位裝置。眾多學(xué)者[6]分析了擋塊對(duì)斜拉橋地震響應(yīng)的影響，研究表明，通過設(shè)置擋塊可以阻擋主梁發(fā)生過大的橫向變形，降低落梁風(fēng)險(xiǎn)，有助于震后修復(fù)。 適當(dāng)增加擋塊強(qiáng)度可以提高限位能力，減小墩頂殘余變形。

3.4.2 設(shè)置E 型鋼阻尼器

E 型鋼阻尼器不僅有減震耗能功能而且可以同時(shí)兼作橫向擋塊。在墩頂設(shè)置橫向E 型鋼阻尼器，在罕遇設(shè)計(jì)地震中支座橫向剪斷，E 型鋼阻尼器發(fā)揮作用，圖4 為本橋罕遇地震下主梁橫向位移時(shí)程曲線，最大變形14 cm。該體系下，主橋所有墩柱、橋塔和基礎(chǔ)驗(yàn)算截面地震彎矩小于其等效屈服彎矩，截面基本保持為彈性工作狀態(tài)，滿足預(yù)期性能目標(biāo)要求。

圖4 主梁橫向位移時(shí)程曲線

4 結(jié)論及建議

1）動(dòng)力分析結(jié)果表明，主橋一階振型為主梁縱飄帶動(dòng)橋塔縱向彎曲振動(dòng)，自振周期4.980 s；二階陣型為主梁帶動(dòng)橋塔對(duì)稱橫彎，周期為4.950 s，與一階陣型較為接近，地震發(fā)生時(shí)第一、二階陣型的貢獻(xiàn)均較大，設(shè)計(jì)也應(yīng)考慮高階陣型對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。

2）設(shè)計(jì)地震作用下，主橋所有墩柱、橋塔截面、樁基地震彎矩小于其初始屈服彎矩，截面保持為彈性工作狀態(tài)；罕遇地震作用下控制截面地震彎矩小于其等效屈服彎矩， 截面基本保持為彈性工作狀態(tài)，滿足預(yù)期性能目標(biāo)要求。

3）針對(duì)罕遇地震下主梁橫向變形大問題，提出了設(shè)置抗震擋塊或E 型鋼阻尼器兩種抗震措施，在低烈度地區(qū)，兩種限位措施均可，混凝土擋塊設(shè)計(jì)成本低，在抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)用較為廣泛。 但對(duì)于高烈度地區(qū)橋梁，為滿足功能要求，需提高抗震擋塊的強(qiáng)度， 擋塊強(qiáng)度的提高可能會(huì)增大橋墩的地震內(nèi)力響應(yīng)，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震產(chǎn)生不利影響。