斜拉桥的弹性约束减震研究

邱文亮 余报楚 方国强

（大连理工大学土木水利学院1） 大连 116024） （大连水产学院土木工程学院2） 大连 116023）

0 引 言

斜拉桥被广泛应用于大跨度桥梁中，特别在500m左右的桥梁设计中，成为大跨度桥梁的主要桥型.大跨度斜拉桥采用的结构体系主要为飘浮和半飘浮体系，这种结构体系的优点是可以避免温度、混凝土收缩产生巨大的索塔弯矩和主梁拉力，同时可以通过主梁的纵向飘移来减小地震力对索塔的作用.但是，如果斜拉桥采用完全无约束的飘浮体系，在地震力作用下，主梁会产生较大的纵向位移，可以达到几十厘米，这将导致斜拉桥主桥和引桥主梁梁端之间相互碰撞，或导致梁体与桥台之间碰撞，并且造成伸缩缝、支座等其他构件的破坏，过大的主梁位移也会产生很大的索根弯矩和塔顶位移.因此，飘浮体系斜拉桥必须采用合适的约束措施，以减小地震产生的主梁纵向位移.目前，斜拉桥纵向约束方法主要有弹性约束，阻尼器约束、铅芯抗震支座等［1－3］.其中弹性约束减震是指在梁、塔之间设置弹性约束，通过改变结构的动力和能量传递路径达到减震的目的，在国内外多个斜拉桥中获得应用，同时弹性约束对抗风和抗制动力等有很好的效果［4－6］，笔者在研究中发现，弹性约束对不同斜拉桥的减震效果有着很大的差异，受斜拉桥结构形式、斜拉桥跨度、斜拉桥所处的场地类型等多种因素的影响，不能简单的借鉴其他斜拉桥的弹性约束设计.本文对该问题进行了研究，得出了相关结论和规律可供同类斜拉桥抗震设计时参考.

1 工程背景及分析模型

1.1 工程背景

本文研究对象为吉林兰旗松花江大桥斜拉桥，该桥为双塔单索预应力混凝土斜拉桥，塔墩固结，塔梁分离，在塔处设支座支承主梁，跨度布置为102.5m＋240m＋102.5m，见图1.该桥位于基本烈度7度区，由于该桥塔下桥墩高度较小，索塔受温度和混凝土收缩徐变产生的弯矩较大，此时计入地震产生的巨大的塔底弯矩，索塔将无法设计.因此，采用合适的减震措施是该类桥梁抗震设计的重点，考虑到弹性约束具有经济、性能稳定、后期维护费用少等优点，本桥采用了弹性约束抗震措施.同时，选择某建成的450m跨度的预应力混凝土斜拉桥作为对比桥梁，进行分析研究，见图2，以便得到更为普遍的结论.

图1 吉林兰旗松花江大桥（单位：m）

图2 对比桥梁（单位：m）

1.2 分析模型及方法

上述斜拉桥动力分析模型采用脊梁模式模拟，主梁、索塔、桥墩及桩基础均采用梁单元模拟，简化时对质量分布作精确的模拟；拉索单元为索单元，并用等效弹性模量公式考虑拉索垂度对刚度的影响；采用节点弹性支承来模拟桩周围土的约束作用，弹性刚度根据“m”法求得，在取用土层的比例系数m时，采用静力计算的2倍以考虑动力的影响.

地震反应分析采用时程分析方法，地震波采用由人工地震波生成程序产生的拟合于规范反应谱的人工地震波［7－10］，分别对I～IV 类场地土生产10条人工地震波，最后给出地震反应分析结果为多条地震波地震反应的平均值.

2 弹性约束刚度及场地类别的影响分析

在飘浮和半飘浮体系斜拉桥的地震反应中，纵向地震力产生的主梁惯性力主要通过斜拉索传递到主塔，在塔梁之间设置抗震弹性约束后，地震力会通过斜拉索和弹性约束2个途径传递给主塔，对于塔梁交结位置的桥塔弯矩来说，弹性约束传递内力的力臂小于斜拉索传递的力臂，使得塔梁交接处索塔弯矩明显减小，同时减小了塔顶位移和主梁位移.但是，过大的塔梁之间约束刚度会使主梁以下桥墩受到地震产生的巨大水平力和弯矩，同时使结构受温度、混凝土收缩徐变影响产生过大的附加内力，另外，过大的弹性约束在实桥设计时也难以实现.因此，对于给定桥梁，应综合考虑多种因素，选择合适的弹性约束刚度值.

本文研究了在不同场地类别情况下兰旗大桥和对比桥梁的地震反应与弹性约束刚度的关系，地震反应包括塔梁交结处索塔弯矩、索塔墩底弯矩、塔顶位移、主梁位移、墩底剪力等，图3～5给出了部分结果.针对兰旗大桥桥位所处的II类场地，计算结果表明：

1）随着纵向弹性约束刚度K的加大，塔梁交结处索塔弯矩Mt先减小再增大；如果选择合适的弹性约束刚度，兰旗大桥索塔弯矩可降低到无约束时的30%，对比桥梁索塔弯矩可降低到无约束时的37%.

2）纵向弹性约束刚度对索塔墩底弯矩Mp的影响与主梁以下墩高有关，随着约束刚度的增大，对于墩高较小的兰旗大桥，墩底的弯矩变化不大；而对于墩高较大的对比桥梁，墩底的弯矩有明显的增大.

3）梁端位移db和塔顶位移会随着弹性约束刚度的加大而减小，弹性刚度较小时，位移明显下降，但弹性刚度增大到一定程度后，位移的下降趋势已不明显.

4）另外，纵向弹性约束的施加会导致墩底剪力大幅度增加.

图3 塔梁交接处索塔弯矩

从图中3～5可知，场地类别对弹性约束的减震效果影响很大，随着场地类别从I类到IV类的递增，塔梁交结位置的桥塔弯矩都是先下降再上升，但是场地类别越高上升的速度越快；场地类别越高，纵向弹性约束引起的墩底弯矩的增加越大；场地类别越高，塔顶位移下降的趋势越缓，以至出现塔顶位移会上升；场地类别越高，梁端位移的下降趋势越缓.

图4 索塔墩底弯矩

图5 主梁纵向位移

3 桥面以下索塔墩高对弹性约束减震效果的影响

对于大跨径斜拉桥来说，一旦确定了主跨及边跨的跨径，桥面上的索塔高度就基本确定了，但是桥面以下墩的高度可能会因为路线线形及所处的地形条件的不同而变化较大，下面研究了基础以上索塔高度与主跨跨度之比α对纵向弹性约束减震效果的影响，计算选取的高跨比α变化范围为0.30～0.50，纵向弹性约束的刚度取为2×105kN／m，场地类别为II类.图6～7分别给出了塔梁交接处索塔弯矩、主梁纵向位移与高跨比变化关系，其中图中PM和Pd分别为弹性约束施加后塔梁交接处索塔弯矩和主梁纵向位移与弹性约束施加前的比值.

图6 高跨比对塔梁交接处索塔弯矩的影响

图7 高跨比对梁端纵向位移的影响

由分析结果可以看出：

1）对于跨度相对较小的兰旗大桥，随着高跨比α增大，弹性约束对塔梁交结位置的桥塔弯矩的减震效果变化较大，α小于0.42时，PM小于0.5，而α大于0.42后，PM迅速增大，以至于达到1.67.对于跨度相对较大的对比桥梁，随着高跨比α增大，PM平缓减小，弹性约束对塔梁交结位置的桥塔弯矩的减震效果增加，即当PM小于1.0时，表示弹性约束具有减震作用.

2）对于兰旗大桥和对比桥梁，随着高跨比α增大，Pd也逐渐增大，即弹性约束对主梁纵向位移的减震效果变差.这主要是因为索塔的墩越高，墩的变形越大，从而导致主梁和塔顶位移增大.

4 结束语

通过吉林兰旗松花江大桥和对比桥梁采用弹性约束的地震反应分析可知，对于飘浮和半飘浮体系斜拉桥，选择在塔梁之间设置弹性约束作为抗震措施时，其减震效果受到多种因素的影响，选择合适的弹性约束刚度，可以有效的减小塔梁交接处索塔弯矩和主梁位移，但对墩的剪力和墩底弯矩减小不明显，甚至有较大的增加；场地土类别对施加弹性约束后的结构地震反应有显著的影响，场地土类别越高，减震效果越差；对于跨度、墩高不同的斜拉桥，其采用弹性约束后的减震效果有较大的差异，如墩高越小，减震效果越好.因此，对于给定的斜拉桥，应首先确定该桥地震作用下的薄弱点，准确选择场地类别和分析采用的地震波，通过详细的分析来确定弹性约束刚度，以达到预想的减震控制效果，不能盲目地借鉴其他斜拉桥采用弹性减震约束措施.

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