多塔斜拉桥结构体系刚度和抗震性能研究进展综述

季 阳 耿方方 沙 祥 时国庆 刘丹丹

(南京工程学院建筑工程学院，江苏 南京 211167)



多塔斜拉桥结构体系刚度和抗震性能研究进展综述

季 阳 耿方方 沙 祥 时国庆 刘丹丹

(南京工程学院建筑工程学院，江苏 南京 211167)

对多塔斜拉桥国内外应用进行了概述，从优化桥跨布置、边跨设置辅助墩、增加塔间加劲索、采用刚性桥塔、采用刚性铰五方面，分析了多塔斜拉桥体系刚度的研究进展，并介绍了其抗震性能的研究进展，为今后同类工程提供参考。

多塔斜拉桥，边跨，刚性铰，减震装置

随着沿海经济的高速发展，连接各大沿海经济区的跨海大桥相继涌现。普通两塔斜拉桥跨越能力有限并且需要较大的深水基础。而多塔斜拉桥采用三塔以上的多跨连续结构，可以实现较大的主梁跨度，故被诸多跨海大桥设计方案所采用。然而，诸多跨海大桥设计相比于普通两塔斜拉桥而言，最大的不足在于体系刚度偏小，并且由于塔梁连接形式复杂，导致了其抗震性能薄弱。因此，多塔斜拉桥的结构静—动力特性亟待需要进行研究，以采取适当的工程措施来提高其体系刚度并改善其抗震性能。近十年来，国内外学者研究分析了多塔斜拉桥体系刚度及抗震性能问题，提出了多种改善措施。本文针对改善多塔斜拉桥的结构体系刚度和抗震性能影响因素进行总结与讨论，并对多塔斜拉桥发展前景进行展望。

1 多塔斜拉桥国内外应用概述

1962年意大利莫兰第教授在国际上首次提出了Morandi体系，并最早应用于委内瑞拉马拉开波桥(Maracaibo Bridge)。这是世界上第一座多塔斜拉桥，此后多塔斜拉桥逐渐被各国学者所重视，Gim Sing，Leonhardt和Michel Virlogeux[1]等人针对这种桥型开展了大量的理论计算和设计实践。此后，多塔斜拉桥因其优越性能逐步得到各国工程师的青睐。我国依托于国内大规模基础设施建设的大背景，在多塔斜拉桥的设计和建造方面也取得了举世瞩目的成就。国内已建或在建的多塔斜拉桥超过了20余座，代表性的多塔斜拉桥工程有香港汀久大桥、岳阳洞庭湖大桥、山东滨州黄河大桥和浙江嘉绍大桥等。值得提出的是，2013年7月建成通车的嘉绍大桥是目前世界上跨度最大的6塔斜拉桥，全桥跨径布置为70 m+200 m+5×428 m+200 m+70 m=2 680 m。该桥纵向结构体系采用半漂浮体系，主塔和桥墩固结，同时桥塔和主梁采用双支点连接，边跨设置1个辅助墩。通过这些工程措施，有效限制了塔梁间的内力和位移，提高了整体结构刚度[2]。国内外代表性多塔斜拉桥及其特征如表1所示。

2 多塔斜拉桥体系刚度研究进展

表1 国内外代表性多塔斜拉桥及其特征一览表

多塔斜拉桥相比普通两塔斜拉桥而言，最突出的力学特性就是体系刚度偏小，导致多塔斜拉桥在温度、车辆荷载等静荷载作用下的结构内力和变形反应较大，这是多塔斜拉桥和两塔斜拉桥最重要的区别。以车辆荷载为例进行说明，两塔斜拉桥的主跨作用车辆荷载时，主跨跨中产生向下的竖向变形，由于塔梁变形协调导致边跨产生向上的竖向变形，而由于桥墩背索的存在限制了塔顶位移，使得两塔斜拉桥的整体变形较小，结构体系刚度容易满足设计要求。然而，对于多塔斜拉桥而言，由于主跨桥跨数较多并且缺乏桥墩背索的限制作用，导致车辆荷载作用下的主梁和塔顶位移较大，进一步增大构件内力，不利于结构安全[3]。

鉴于以上原因，采取有效措施，以提高多塔斜拉桥体系刚度，是设计和建造多塔斜拉桥的关键，目前，桥梁工程界常采用优化桥跨布置、设置辅助墩、增加塔间加劲索、采用刚性桥塔和采用刚性铰等措施，来不同程度地提高多塔斜拉桥结构体系刚度。

1)优化桥跨布置。由于多塔斜拉桥跨数较多，边跨长度与中跨长度的比值对结构体系刚度有较大影响。已有研究表明，多塔斜拉桥的边跨越短，即边跨与中跨比值越小，结构体系刚度越大。这是因为，边跨越短，边跨刚度越大。较短的边跨可以有效提高边跨拉索对塔顶位移的限制作用，而通过塔梁位移协调作用进一步控制中跨的竖向变形[4]。

2)边跨设置辅助墩。荷载作用下，多塔斜拉桥因为没有边锚索固定中间塔，相比较两塔斜拉桥而言，中间塔的水平位移将加大，梁的挠度也随之增大；在边跨设置辅助墩后，边跨锚索可以充分发挥对桥塔的约束作用，从而有效限制桥塔和主梁的内力和变形。因此，辅助墩的设置能够直接影响多塔斜拉桥的边跨和边塔的力学性能，然而，其对跨中的影响在通过次边跨传递时将逐渐减小。喻梅、李乔等在研究辅助墩对多塔斜拉桥力学行为影响时发现，无论是三塔斜拉桥还是四塔斜拉桥，边跨设置辅助墩都能有效提高结构整体刚度，明显减小车辆荷载作用下的桥塔位移和内力[5]；李江龙的研究表明，车辆荷载作用下，设置辅助墩能有效控制梁和桥塔的内力和变形[6]。此外，从施工安全性角度来说，边跨设置辅助墩不仅有利于提高多塔斜拉桥结构体系整体刚度，而且可以降低施工难易程度，提高安全性[5]。

3)增加塔间加劲索。在桥塔间设置加劲索，是提高多塔斜拉桥体系刚度的有效措施。多塔斜拉桥桥塔数量较多，包含边塔和中塔等，而中塔受到的内力显著大于边塔。通过在边塔和中塔之间设置加劲索，能够将中塔的内力直接分配到边塔上，从而有效降低桥塔和主梁的内力和变形，这种措施对于纵向全自由体系的效果最好[7]。设置加劲索的方式较多，例如香港汀久大桥在中塔顶部到边塔塔梁结合位置设置了加劲索。

4)采用刚性桥塔。桥塔作为连接基础，是承载桥梁和锚固拉索的压弯构件，提高其刚度是改善多塔斜拉桥结构体系刚度最直接的措施。设置刚性塔能有效减小车辆荷载作用下桥塔和主梁的内力和变形反应。Morandi体系中即采用设置刚性塔的措施来提高多塔斜拉桥整体刚度，但同时刚性塔因其过高的造价而制约其发展。因此，工程师们致力于缩减基础规模和造价来改进这一体系[2]。

5)采用刚性铰。多塔斜拉桥主梁较长，在温度作用下的纵向变形非常大，通过设置刚性铰可以有效释放主梁的温度变形。设置刚性铰在释放主梁轴向力的同时抵抗弯矩、剪力和扭矩，以改善主梁的受力情况，确保桥面平顺。目前，刚性铰主要应用在主梁为混凝土的长联连续梁桥和跨度大于400 m的斜拉桥中，如厄瓜多尔的国家联合大桥、旧金山奥克兰海湾大桥的高架公路桥段、嘉绍大桥等。特别需要指出，嘉绍大桥主航道桥(70+200+5×428+200+70) m的6塔钢箱梁斜拉桥，其在国内首次使用了刚性铰。计算表明，设置刚性铰有效释放了主梁的温度变形，在释放轴向力的同时，能够抵抗弯矩、剪力和扭矩；而当不设置刚性铰时，主梁在跨中失去一处纵向自由变形端，导致主梁纵向位移明显增大[8]。

3 多塔斜拉桥结构抗震性能研究进展

目前，地震作用下对多塔斜拉桥结构抗震性能影响研究主要围绕以下几个方面：

1)辅助墩对抗震性能影响。设置辅助墩有利于改善多塔斜拉桥体系刚度，但在地震作用下，随着辅助墩数量增加，辅助墩跨段主梁位移明显减小，其他梁段位移略有增大，墩梁结合处相对位移基本不变。可以看出，辅助墩对提高多塔斜拉桥抗震性能效果并不明显，相反，辅助墩数目增加可能增强主梁在各向的地震响应，削弱其抗震性能[9]。

2)刚性铰对抗震性能影响。设置刚性铰的主要目的在于适应长主梁的温度变形，而对于多塔斜拉桥抗震性能影响很小。已有研究表明，地震作用下，刚性铰在使主梁竖向位移趋于均匀的同时，增大桥梁横向位移，对塔梁相对位移影响很小，基底顺桥向剪力幅值和弯矩幅值略有提高，但增幅不超过3%。可以看出，刚性铰对主梁位移影响较小，对提高抗震性能的效果不明显[10]。

3)塔梁纵向连接形式对抗震性能影响。目前多塔斜拉桥采用的塔梁纵向连接形式主要有纵向全自由体系、纵向全固结体系和纵向部分固结体系三种。与两塔斜拉桥类似，不同的塔梁纵向连接形式对于多塔斜拉桥内力和变形等地震反应产生影响。纵向全自由体系中主梁和桥塔在桥梁纵向相对自由，这种体系形式导致了地震作用下的整体位移反应非常大，而桥塔等构件的弯矩、轴力等内力反应较小；纵向全固结体系则正好相反，由于塔梁全部固结导致了主梁纵漂振型消失，使得地震作用下的整体位移反应较小，而塔桥等构件的内力反应非常大。纵向部分固结体系是多塔斜拉桥特有的结构形式，其部分塔梁连接采用固结，其余部分采用自由。这种体系在地震作用下，全桥位移反应总体较小，塔梁连接自由的桥塔内力反应也较小，但是塔梁固结的桥塔内力反应则非常大[10]，因此，塔梁固结处的部分桥塔是这种纵向部分固结体系的抗震薄弱部位。

4)减震装置对抗震性能影响。现阶段多塔斜拉桥抗震性能的提高主要是通过在桥上配置减震装置来实现的。其中，粘滞阻尼器是该桥型较为常用的减震装置。粘滞阻尼器通过向结构提供额外的耗散地震输入能量的能力来减小地震响应，其阻尼力主要取决于速度，对地震作用起耗能减震作用，因此，粘滞阻尼器常作为纵向约束装置应用于多塔斜拉桥上，其改善结构抗震性能和消能减震效果明显。已有研究表明，全漂浮体系采用粘滞阻尼器减震效果明显更优；部分固结体系采用粘滞阻尼器能更为有效地控制截面内力和节点位移，从而达到减震效果；但采用粘滞阻尼器减震时，墩梁相对位移会被放大，在实际工程应用中，应合理控制其分布位置[9]。

4 结语

目前，多塔斜拉桥的发展趋于结构多样化和轻型化。钢斜拉桥质量轻、跨径大，组合梁斜拉桥以及钢管混凝土桥则是相对而言兼顾了轻质和经济性的桥型，对于特大跨的斜拉桥，混合式的斜拉桥优势较大[11]。然而，超大跨斜拉桥柔性桥面的抗灾性能和高索塔的抗震问题亟待解决；多塔斜拉桥总体布置的发展也存在许多技术难题，主要包括：结构体系与力学性能问题、外力作用(风载)下的空气静力扭转发散和侧向弯扭屈问题、连续多跨的刚度问题、超深基础和超高索塔的结构形式和施工技术问题、拉索体系以及锚碇技术的研究。与此同时，施工难易程度和造价也是重要的限制因素，因此，施工技术的研究和施工过程中的控制系统的完善优化，可使多塔斜拉桥的建设将具有高度智能化、信息化和远距离控制等特征。

多塔斜拉桥目前风靡世界，代表了桥梁建设的新方向。由于多塔斜拉结构型式优点突出，性能优越，不但在跨江跨海大桥中采用，而且在铁路、公路、水利水电、民用中也能广泛应用，这也决定了它有巨大发展潜力。本文通过对国内外已建或在建多塔斜拉桥的介绍，对多塔斜拉桥结构体系刚度和抗震性能进行了简明扼要的综述，对多塔斜拉桥结构体系抗震减震问题进行了简要的分析讨论，可为今后此桥型的发展应用提供参考。

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[5] 喻 梅,李 乔,廖海黎,等.辅助墩对多塔斜拉桥力学行为的影响[J].世界桥梁,2010(3):36-39.

[6] 李江龙.辅助墩对大跨度斜拉桥活载和动力响应的影响[J].特种结构，2012(3)：78-80.

[7] 廖龙辉.大跨度多塔斜拉桥施工控制关键问题研究[D].长沙：长沙理工大学，2011.

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[9] 谢洪恩.多塔斜拉桥抗震性能分析及减震控制研究[D].南京：东南大学,2013.

[10] 耿方方,丁幼亮,谢洪恩,等.结构体系对多塔斜拉桥抗震性能的影响分析[J].公路交通科技,2014,31(7):65-71.

[11] 邓小康,彭 蓉,李永明.斜拉桥的极限跨径分析[J].西部交通科技,2016(7)：32.

The research progress review of stiffness and seismic performance of multi pylon cable-stayed bridge structure system

Ji Yang Geng Fangfang Sha Xiang Shi Guoqing Liu Dandan

(ArchitecturalEngineeringSchool,NanjingInstituteofTechnology,Nanjing211167,China)

This paper summarized the application of multi pylon cable-stayed bridge at home and abroad, from the bridge span arrangement optimization, side span setting auxiliary pier, increasing stiffened cable in tower, using rigid pylon, using rigid hinge five aspects, analyzed the research progress of multi pylon cable-stayed bridge stiffness, and introduced the research progress of its seismic performance, provided reference for future similar engineering.

multi pylon cable-stayed bridge, side span, rigid hinge, damping device

1009-6825(2017)18-0167-03

2017-04-17

季 阳(1996- )，男，在读本科生; 耿方方(1983- )，女，博士，讲师; 沙 祥(1997- )，男，在读本科生

U448.4

A