吳 江

（廣東省交通規(guī)劃設計研究院集團股份有限公司,廣東 廣州 510507）

0 引言

隨著城市化進程的加快和交通需求的增大，橋梁作為城市交通的重要組成部分，承擔著越來越大的交通運輸壓力。然而，地震作為一種不可預測的自然災害，給橋梁結構帶來了巨大的破壞風險。因此，提高橋梁的抗震性能成為重要的研究課題。獨塔斜拉橋作為一種新型的橋梁結構形式，具有較高的經濟性和美觀性，被廣泛應用于不同規(guī)模和跨度的橋梁工程。其采用單座塔梁和斜拉索來支撐橋面，使得整個橋梁形成了一個穩(wěn)定的結構系統(tǒng)。然而，在地震作用下，獨塔斜拉橋橋塔承受了主要地震慣性力[1-8]，故地震嚴重影響橋梁的安全性和可靠性。

在研究橋梁抗震性能的過程中，塔梁約束對橋梁的整體剛度和穩(wěn)定性具有非常重要的影響。然而，目前對于獨塔斜拉橋塔梁約束對橋梁抗震性能影響的研究還相對較少，特別是在不同約束設置條件下，對橋梁結構的地震響應研究尚不充足。隨著國民經濟的騰飛，人們對橋梁美學的要求越來越高，空間扭索面獨塔斜拉橋以其獨特及富有張力的造型脫穎而出，但其受力模式與常規(guī)結構受力概念設計相違背，因此研究其塔梁約束方案對該類斜拉橋的抗震性能的影響具有非常重要的意義。

該論文旨在通過對某獨塔空間扭索面斜拉橋進行塔梁約束研究，探索不同約束方案對橋梁抗震性能的影響。采用SAP2000 建立該獨塔斜拉橋的有限元模型，在地震荷載下進行動力響應分析，得到橋梁在不同約束方案下的地震響應。通過對比結構地震響應得到該類斜拉橋最優(yōu)的塔梁約束方案。

該論文的研究內容和方法具有一定的理論和實踐意義。為該類體系獨塔斜拉橋的抗震設計提供新思路和參考，同時對推廣和應用該類獨塔斜拉橋結構具有一定的實際指導意義。

1 工程概況及有限元模型的建立

1.1 工程概況

某工程為空間扭索面獨塔斜拉橋，跨徑組合為（268+158+55+85）m，主塔為獨塔雙柱塔，橋型立面圖如圖1 所示，聯(lián)系雙柱的橫系結構造型取自“豐”的古體字，橋塔構造圖如圖2 所示。塔柱總高為178 m，橋面以上高度為145 m。塔柱截面為矩形截面，從上至下逐漸增大，橫橋向尺寸由5 m 增大至8.5 m，縱橋向尺寸由6 m 增大至15 m，塔柱截面在橋面以上20 m 處開始縱橋向分為兩肢，塔底單肢縱橋向厚度為6 m，兩肢的間隙為3 m，總尺寸為15 m。對于混凝土塔，共設置三種壁厚，主塔橫系梁以下的下塔柱部分壁厚1.5 m；中塔柱壁厚1.2 m；拉索區(qū)作為上塔柱，壁厚1 m。對于鋼混組合塔，共設置兩種壁厚，主塔橫系梁以下的下塔柱部分壁厚1.2 m；中塔柱及上塔柱壁厚1 m。

圖1 橋型布置圖（cm）

圖2 橋塔一般構造圖（cm）

拉索采用雙索面方案，拉索與主梁的連接方式與普通斜拉橋不同，橋塔最高的錨固點與最靠近橋塔的主梁錨固點箱梁相連，橋塔最低的錨固點與最遠離橋塔的主梁錨固點箱梁相連。造型像飛翔的翅膀，是一個美學與力學相融合的拉索布置方式。

1.2 地震波選取及有限元模型的建立

由于地震動受地震發(fā)震機理、傳播介質、場地條件因素影響，具有很大的不確定性，模擬不同場地的地震動時程難度很大。在不同的地震動輸入下，結構體系的位移、內力也不盡相同。因此，在進行計算分析時，合理地選擇地震動是非常必要的。根據(jù)其選取原則，該文從PEER 數(shù)據(jù)庫中選取了3 條天然地震動記錄，如圖3所示。

圖3 3 條地震動時程曲線

采用SAP2000 Nonlinear 有限元程序，應用三維有限元模型建立了該橋動力計算模型進行抗震性能分析，其有限元模型如圖4 所示，計算模型均以順橋向為X 軸，橫橋向為Y 軸，豎向為Z 軸。模型中主塔、主梁、過渡墩及輔助墩均離散為空間梁單元，其中主梁采用單梁式力學模型，并通過主從約束同斜拉索形成“魚骨式”模型；斜拉索采用空間桁架單元并進行端部釋放模擬拉索，采用P-delta 力模擬拉索拉力對橋梁結構的幾何剛度影響，為了減少計算量，采用FNA 法進行非線性時程分析，結構阻尼取0.03。

圖4 計算模型

2 塔梁約束方案研究

為研究不同塔梁約束方案對空間扭索面獨塔斜拉橋抗震性能的影響，建模時不考慮材料的非線性，過渡墩及輔助墩采用滑動支座，其中塔梁連接約束如表1 所示。

表1 塔梁約束方案

2.1 不同塔梁約束下結構動力特性

不同塔梁約束下結構動力特性，如表2 所示。

表2 不同塔梁約束下結構動力特性

由表2 可知，塔梁約束對橋梁結構的動力特性影響較大。體系一由于縱向采用塔梁固結，約束剛度較大，其一階主塔與主梁縱向基頻最大；體系一與體系四橫向均設置抗風支座，故其橫向剛度較大，其主塔與主梁橫向基頻大于體系五基頻；體系五取消橫向抗風支座，通過設置拉索減震支座實現(xiàn)橫向抗風及主梁橫向限位功能，可有效降低結構縱橫向剛度，體系五一階振型圖如圖5所示。

圖5 體系五一階振型

2.2 不同塔梁約束下結構地震響應

E2 地震下縱橋向關鍵截面地震響應如圖6 所示，由圖6 可知，體系一采用塔梁固結體系，塔梁約束剛度最大，故地震作用下，橋塔地震響應最大；體系2 采用塔梁縱向自由，其約束剛度最小，橋塔處各關鍵截面地震相應最小，相較于體系一，塔底彎矩減小約19%；體系三采用縱向自由+縱向阻尼器裝置，縱向阻尼器具有限制主梁位移及耗能能力，塔底彎矩減小約14%；體系四塔梁連接采用摩擦擺支座，由于摩擦擺支座具有一定的隔震效果，橋塔關鍵截面地震響應相較于體系一減小11%；體系五采用拉索減震支座，在E2 地震作用下，拉索減震支座固定栓銷被剪斷，支座開始滑移，當滑動量超過容許位移時，拉索限位裝置發(fā)揮作用，限制主梁位移，從而實現(xiàn)耗能能力，塔底彎矩減小約13%。

圖6 E2 地震下縱橋向關鍵截面地震響應

E2 地震下橫橋向關鍵截面地震響應如圖7 所示，由圖7 可知，體系一至體系四采用橫向抗風支座，橫向約束剛度基本一致，故橫向地震響應相差不大；體系五取消橫向抗風支座，采用固定拉索減震支座，其作用機理為在E1 地震作用下及風荷載作用下，固定拉索減震支座的栓銷未被剪斷，故其相當于橫向抗風支座的作用，在E2 地震作用下，栓銷被剪斷，橫向約束釋放，支座開始滑動，從而實現(xiàn)耗能能力，當支座位移超過初始安全位移時，拉索限位裝置發(fā)揮作用，從而防止塔梁碰撞，相較于體系一，體系五橫向地震相應在塔梁相接處減少17.2%。

圖7 E2 地震下橫橋向關鍵截面地震響應

E2 地震下縱橋向梁端位移如圖8 所示，由圖8 可知，體系一塔梁固結約束剛度最大，梁端位移最??；體系二縱向滑動，梁端位移最大；體系三、體系四、體系五設置減隔震裝置及限位裝置，梁端位移相較于體系二減小約56%。

圖8 E2 地震下縱橋向梁端位移

3 結語

該文通過SAP2000 建立某空間扭索面獨塔斜拉橋的有限元模型，對比不同塔梁約束體系布置方案，分析該橋梁體系在地震作用下的響應規(guī)律，進而選出該橋梁體系最優(yōu)的塔梁約束方案。經過計算分析，主要研究結論如下：

（1）不同塔梁約束方案對空間扭索面獨塔斜拉橋的動力特性影響較大，塔梁固結約束剛度最大，故其結構基頻最大。

（2）縱橋向地震作用下，塔梁固結體系橋塔地震相應最大，主梁位移最?。豢v向自由體系，橋塔地震響應最小，主梁位移最大；縱向自由+阻尼器體系、摩擦擺支座體系、拉索減震支座體系減震率分別為14%、11%、13%。

（3）橫向地震作用，設置橫向抗風支座，對結構地震響應不利；采用橫向設置固定拉索減震支座能實現(xiàn)橫向抗風功能及橫向減震效果，同時橫向設置拉索減震支座，拉索限位裝置能有效限制主梁位移，從而避免塔梁碰撞。

綜上所述，通過對空間扭索面獨塔斜拉橋不同塔梁約束形式的分析計算，最終拉索減震支座+橫向取消抗風支座的約束形式。