H型斜拉桥桥塔横桥向结构抗震设计与分析

徐艳 嵇冬冰 王瑞龙

摘要：

在工程实际中，通常需要在满足静力需求的基础上大幅提高塔底和横梁截面的配筋率来满足斜拉桥桥塔在罕遇地震作用下既定的性能目标，这种做法不仅不够经济，同时也增加了下部桩基础的抗震需求。通过对H型桥塔斜拉桥桥塔结构设计参数进行研究，探讨了斜拉桥桥塔上横梁位置、塔柱横梁刚度比、上横梁与塔柱的约束条件以及桥塔上横梁进入塑性的程度对斜拉桥桥塔横桥向地震响应的影响。结果表明：斜拉桥桥塔上横梁位置变化、横梁刚度变化以及考虑上横梁的屈服耗能均能改变桥塔横桥向的地震响应，但结果并不显著，而改变上横梁与塔柱的约束条件能显著降低桥塔的横桥向地震需求。

关键词：

斜拉桥；桥塔；横桥向；抗震分析；抗震设计

中图分类号：

TU3521；U4425

文献标志码：A

文章编号：16744764（2014）06000107

作为最为广泛使用的大跨度桥型之一，斜拉桥的建设一般周期较长，工程投资也较大。其主要承重结构的主塔一旦出现较为严重的损伤，震后修复比较困难，因而目前大部分已建斜拉桥即使在罕遇地震作用下也要求基本保持弹性[1]。基于安全考虑，欧洲规范[2]要求，在设计地震作用下，斜拉桥桥塔保持弹性工作状态。中国《城市桥梁抗震设计规范》[3]也规定在E2地震作用下，主塔等重要结构受力构件可发生局部轻微的损伤，震后不需修复或简单修复可继续使用。中国已建和在建的绝大部分大跨度斜拉桥在进行抗震设计时均满足这一抗震性能目标要求，在罕遇地震作用下桥塔基本保持弹性，如有塑性发生，也通常认为是在边墩或者辅助墩处[45]，其实在强震作用下，桥塔也有可能先于边墩和辅助墩屈服[6]。但更重要的是，在斜拉桥抗震设计的工程实践中发现，为满足桥塔结构保持基本弹性的性能目标，通常满足静力需求的塔底截面需要大幅度增设纵向主筋来满足罕遇地震需求，而在横桥向由于框架效应，除此之外横梁的配筋率也要从满足构造要求的08%提高到15%左右；同时，该塔底截面弯矩及水平地震力将传递到下部基础，使得对下部基础的抗震要求也相应提高了，显然仅仅为满足罕遇地震需求而几乎翻倍地增加钢筋用量对于桥塔和群桩基础而言都相当不经济。另一方面，已有学者对斜拉桥、悬索桥的桥塔进行了大量的弹塑性理论分析[712]，在近年来新建的一些大跨度桥梁中有的通过塔身设置耗能构件保证桥塔在强震下仍处于弹性状态，如新奥克兰海湾大桥[13]；有的在强震下允许桥塔进入塑性，在一定程度上利用桥塔的塑性能力，如Tacoma桥[14]和Rionantirion桥[15]，这些都是对大跨度斜拉桥抗震设计的有益促进和尝试。

徐艳，等：H型斜拉桥桥塔横桥向结构抗震设计与分析

笔者通过对某中等跨度斜拉桥的H型混凝土桥塔设计参数进行研究，探讨了斜拉桥桥塔上横梁位置、塔柱横梁刚度比以及上横梁与塔柱的约束条件对斜拉桥桥塔横桥向地震响应的影响，并分析桥塔上横梁进入塑性的程度对桥塔其他主要构件地震反应的影响，提出通过桥塔结构参数的设计降低桥塔的横桥向地震需求的新思路。

1工程背景及计算模型

选用的工程背景是一座三跨钢混凝土混合梁连续梁斜拉桥，主桥跨径640 m，跨径布置为130 m+380 m+130 m，桥面宽387 m。主梁采用流线型扁平封闭箱梁，主塔为“H”型混凝土塔，辅助墩、过渡墩均采用C40混凝土墩柱。其中，主塔墩号为M3和M4，辅助墩墩号为M2和M5，过渡墩墩号为M1和M6，总体布置及桥塔结构如图1、2所示。