高斌

（中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，西安 710000）

1 引言

獨塔斜拉橋建設(shè)中，因地形、地勢等自然條件的限制而普遍采取兩跨非對稱的布置方式，主梁以混合梁模式居多。 相比常規(guī)斜拉橋，帶有混合梁的斜拉橋在結(jié)構(gòu)形式、受力性能等方面均有特殊性， 可能由于設(shè)計或施工不當(dāng)而導(dǎo)致抗震性能不足，橋梁對地震作用的抵御能力有限，有失穩(wěn)坍塌的可能。 為保證橋梁的穩(wěn)定性，需要進行抗震方法的探索，依靠技術(shù)手段提高獨塔斜拉橋的抗震性能。

2 斜拉橋地震破壞原因

在斜拉橋中，地震破壞是一種重要破壞方式。 在強震作用下，斜拉橋可能出現(xiàn)主梁開裂、支座受損、斜拉索折斷等問題。

從如下4 方面分析斜拉橋地震破壞的原因：（1）地震導(dǎo)致地基作廢或地基存在大幅度變形等異常狀況；（2）地震強度超過抗震設(shè)防要求；（3）橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計錯誤、施工質(zhì)量不符合標(biāo)準(zhǔn)要求；（4）橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能欠缺。

橋梁的上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、地基和支座是地震破壞的集中發(fā)生區(qū)域[1]。 具體至橋梁上部結(jié)構(gòu)，震害特征體現(xiàn)在扭轉(zhuǎn)位移及縱、橫向位移過大的層面。 上部結(jié)構(gòu)移動太大會導(dǎo)致梁端伸縮設(shè)備和鄰近結(jié)構(gòu)損壞，甚至出現(xiàn)落梁現(xiàn)象[2]；落梁與橋梁碰撞，結(jié)構(gòu)磕碰受損。 若上部結(jié)構(gòu)鄰近間隔太短，發(fā)生地震時的撞擊也會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷。

在各類橋梁結(jié)構(gòu)震害中，支座破壞屬于極為常見的形式[3]。以日本阪神地震為例，其支座損壞率占28%，主要原因有支座抗震性能未滿足要求、 連接和支擋構(gòu)造方法不到位及材料性能不合格等。 同時，上部主梁、下部橋墩及地基的受力也會因支座損壞而出現(xiàn)改變，結(jié)構(gòu)抗震性能下降。

橋墩是橋梁下部結(jié)構(gòu)震害的高發(fā)區(qū)域，以彎曲、剪切破壞居多。 在延性較差的高柔橋墩出現(xiàn)最多的是彎曲破壞，而剪切破壞則普遍發(fā)生于約束箍筋和縱向鋼筋不足的短粗橋墩中。在強震期間， 橋墩的彎曲破壞與剪切破壞經(jīng)常導(dǎo)致其承載性能喪失，從而使上部結(jié)構(gòu)坍塌。

地基破壞、樁基礎(chǔ)剪切破壞和彎曲破壞、樁頂和承臺結(jié)合構(gòu)架方法不到位等是導(dǎo)致橋梁地基震害的重要因素。 樁基礎(chǔ)震害具有隱藏性， 但它在保證整個橋梁的受力安全方面發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。

3 工程實例

某橋全長827 m，主橋長519 m（89 m+245 m+185 m）、寬44.0 m，是一座獨塔雙索面混合梁斜拉橋。 在邊跨做一協(xié)助橋墩，選空間扇狀雙索面進行斜拉索安裝。主塔高度為146 m，屬水滴狀橋塔。 疊合梁用作錨索區(qū)，縱梁高度2.75 m，箱形截面形式，錨索區(qū)外均為混凝土梁，跨中梁高與疊合梁等高。 橋梁采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，墩梁間設(shè)支座。

4 有限元模型與結(jié)構(gòu)體系

4.1 有限元模型

基于有限元軟件SAP2000 構(gòu)建如圖1 所示的模型。其中，使用空間彈性梁對主塔、主梁及橋墩進行有限元仿真，并對結(jié)構(gòu)的幾何剛度進行分析。 主塔、主梁、橋墩自重通過賦予截面面積和材料重度來實現(xiàn)， 橋面二期恒載等附加質(zhì)量采用線質(zhì)量方式加在主梁單元上。 建模時，塔、墩基礎(chǔ)采用群樁，用六彈簧空間模型模擬樁-土相互作用，用梁單元模擬斜拉索。 橋梁支座的模擬方法視支座類型而定， 用單元和雙線性理想彈塑性彈簧相連表示支座的滑移方向，支座豎向、單向滑動支座的非活動方向固定。

圖1 斜拉橋有限元模型

4.2 拉索減震支座

拉索減震支座中的球鋼支座性能穩(wěn)定可靠， 在斜拉橋工程中取得廣泛的應(yīng)用。 集高強和柔性的鋼絲繩于一體，提升支座對地震作用的抵御能力，例如，遇地震時支座可在剪斷抗剪銷釘時發(fā)生滑移，結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)變?yōu)闇p隔震系統(tǒng)，抗震性能優(yōu)勢得以發(fā)揮，可降低結(jié)構(gòu)地震內(nèi)力反應(yīng)，同時采用拉索設(shè)備控制墩梁的偏移。

拉索減震支座的恢復(fù)力模型是球鋼支座與拉索的恢復(fù)力曲線相綜合的結(jié)果。 其中，拉索減震支座的恢復(fù)力模型可以通過式（1）表示：

式中，F(xiàn) 為支座的恢復(fù)力，kN；K 為拉索的剛度，kN/m；x 為拉索的受拉后長度，m；x0為拉索的初始長度，m；c 為減震器的阻尼系數(shù)，kN·sm-1；v 為減震器的速度，m/s；v0為減震器的初始速度，m/s。

當(dāng)拉索伸長或減震器受到外力作用時， 支座會產(chǎn)生恢復(fù)力來抵抗變形。 恢復(fù)力的大小取決于拉索的伸長量和減震器的速度。 需要注意的是，式（1）只是一個簡化的模型，實際的拉索減震支座恢復(fù)力模型可能更加復(fù)雜， 還需要考慮其他因素的影響，比如溫度變化、材料特性等。 具體的恢復(fù)力模型需要根據(jù)實際情況進行細(xì)化和調(diào)整。

4.3 結(jié)構(gòu)抗震體系

提出如下3 種抗震設(shè)防體系，探討各自的地震反應(yīng)特征，具體如下。

體系一，固結(jié)體系：各墩梁間在縱向設(shè)滑動支座，P03 塔處用塔梁固結(jié)。

體系二，半漂浮體系：在塔梁與墩梁中間設(shè)置縱向滑動支座，共包含單向球形、雙向球形、固定球形3 類鋼支座，于P03塔設(shè)縱向滑動支座。

體系三，彈性索體系：關(guān)鍵組成沿用體系二，區(qū)別在于為塔梁間設(shè)高強鋼絞線，作為彈性索，在增設(shè)此類材料后，改變主梁地震慣性力的傳遞方式。

4.4 地震動輸入

地震烈度Ⅷ度， 橋址區(qū)50 年2%高出概率水平地震動的特性周期為0.90 s，地震加速度最大值為0.337 m/s2。 根據(jù)場地地震安全性評價報告提供的地震動加速度時程， 豎向地震動時，取水平地震動的0.65 倍作為垂直地震動。

5 主橋地震反應(yīng)特點

5.1 減震效果對比研究

地震響應(yīng)以運算成果的包絡(luò)值為代表， 使用3 條地震波剖析非線性時程，對包絡(luò)值進行對比分析。 考慮前述提及的3種抗震設(shè)防體系， 各自對應(yīng)的地震內(nèi)力、 地震位移的響應(yīng)幅值，如表1、表2 所示。

表1 地震內(nèi)力響應(yīng)幅值（塔/ 墩底彎矩） kN·m

表2 地震位移響應(yīng)幅值（支座位移） m

由表1、表2 做如下分析：根據(jù)P03 主塔地震內(nèi)力和塔梁相對位移可知，最大塔底彎矩發(fā)生在體系一中，其他抗震體系的該值相對較小，為滿足結(jié)構(gòu)在地震時的穩(wěn)定性要求，不宜在高烈度區(qū)采用體系一（固結(jié)體系）；從主塔地震內(nèi)力的對比結(jié)果來看，體系二、體系三的該值較小，受傳力方法不一樣的影響；從地震內(nèi)力和位移兩項指標(biāo)來看，體系三均低于體系二，因此有理由認(rèn)為體系三更具可行性， 即彈性索體系的抗震性能更佳。

5.2 彈性索與拉索減震支座組合體系

秉承抗震性能最優(yōu)化的原則， 提出彈性索與拉索減震支座組合體系，設(shè)計此體系的思路如下。

橋墩底的彎矩在半漂浮和彈性索體系中均較低， 但存在主梁位移大的局限性，表明在較強地震破壞作用下，橋梁主要構(gòu)件易遭到危害且普遍伴隨嚴(yán)重的異常狀況， 以橋墩為代表的主要受力構(gòu)件缺乏對地震力的抵御能力， 抗震體系應(yīng)用效果相對有限。 為此，將抗震體系的設(shè)計重點轉(zhuǎn)向如何限制地震內(nèi)力和位移層面，而彈性索體系在此方面則具有突出的優(yōu)勢，可予以采用。 因此，在彈性索體系的基礎(chǔ)上，將橋梁支座均設(shè)計為拉索減震支座， 形成集彈性索與拉索減震支座于一體的綜合抗震體系。 拉索減震支座自由行程的控制根據(jù)地震內(nèi)力和位移相均衡的基本要求而定，取0.3 m。 地震內(nèi)力響應(yīng)數(shù)據(jù)，如表3 所示。

表3 基于拉索減震支座的地震內(nèi)力響應(yīng) kN·m

分析發(fā)現(xiàn)，在使用拉索減震支座時，橋墩墩底彎矩增至原彎矩的1.66~1.95 倍， 雖然墩柱內(nèi)力呈現(xiàn)出增加的變化趨勢，但始終被穩(wěn)定在許可范圍內(nèi)； 主塔彎矩減至彈性索計劃的0.96 倍， 塔底彎矩和墩（塔） 梁相對位移均減小， 可穩(wěn)定在0.31~0.32 m。 由此看來，橋墩的抗震性能由于拉索支座的應(yīng)用而顯著提升，具備分擔(dān)地震力的作用，有效規(guī)避大范圍的墩梁位移和塔梁位移現(xiàn)象，所取得的抗震效果值得肯定，是具有可行性的抗震設(shè)防措施。

6 結(jié)語

經(jīng)過本文的分析， 提出獨塔非對稱斜拉橋的多種抗震設(shè)防體系，并就各自的應(yīng)用效果進行分析，得出如下結(jié)論。

1）獨塔斜拉橋采用固結(jié)體系時，對于建設(shè)在高烈度區(qū)的橋梁而言，其結(jié)構(gòu)的剛度較大，主體的地震內(nèi)力較強，抗震效果欠佳，此抗震體系缺乏可行性。

2）半漂浮體系和彈性索體系在減小主塔地震內(nèi)力方面均有重要作用， 但各自的主梁偏移程度因傳力方式的不同而出現(xiàn)差異，彈性索體系下的主梁偏移較小，更具可行性。

3）在聯(lián)合應(yīng)用拉索減震支座和彈性索體系后，充分提升橋墩的抗震性能，減小主塔地震內(nèi)力、支座位移，綜合抗震性能良好， 拉索減震支座和彈性索體系的綜合抗震方式具有可行性，有推廣的價值。