基于主塔性能的自锚式悬索桥抗震措施

摘 要：以太原市某自锚式悬索桥为研究对象，采用空间非线性有限元法进行模拟，研究其在地震作用下的响应特性。分析结果表明，该桥的抗震设计控制因素在于主塔塔底在横桥向地震力作用下的弯矩过大，就此提出了两种抗震措施：采用粘滞阻尼器的减隔震方案；主塔下设置横梁方案。通过分析比较，塔横梁方案能够较好的满足抗震需求。

关键词：悬索桥；独塔；地震响应；抗震措施

1.主桥的结构概况

该项目桥梁设计道路等级为主干路，桥型为拱塔单塔自锚式悬索桥，孔径布置为：（50+220+137+50）m，全长457m。塔处主梁采用漂浮体系；根据道路八车道断面设置，主梁采用钢箱梁，全宽46m，索塔全高135m；主缆鞍座设置在桥面以上90m处，220m跨大缆矢跨比采用1/12.5。

2.结构动力分析

2.1动力模型建立

采用SAP2000软件对该桥进行有限元分析，主梁、吊杆以及边墩和过渡墩均采用框架单元进行模拟；对于主塔和主缆，采用分段直线框架进行曲线拟合，并对吊杆和主缆及主梁的连接处进行弯矩释放以模拟铰接。主缆和桥塔鞍座处以及吊杆和主梁之间均采用主从约束。

2.2结构抗震设防水准及人工地震波

根据《城市桥梁抗震设计规范》的有关条文，此桥采用两阶段抗震设防。由于该桥为城市主干道，从桥梁震后构件修复的难易程度及相应经济损失等的风险程度考虑，桥梁抗震设计中采用的设防水准和相应的性能目标如下表所示。上述时程波按照横向+竖向方式和纵向+竖向方式输入，而竖向时程波按照横向时程波乘以0.65的折减系数得到。

2.3结构地震响应分析

本桥主塔塔底在地震力作用下的地震响应过大，成为抗震设计的主要控制因素，本文将着重对主塔塔底的地震响应进行分析。下表为主塔控制截面的验算结果。从表中可看出主塔的横桥向抗震能力不满足需求。

3.抗震措施

3.1概述

根据前文的分析论述，可以看出，主塔塔底截面主要在横桥向和竖向地震力作用下，横桥向弯矩过大，且主塔塔底出现拉力。针对这一情况，在原有结构的基础上，进一步优化设计。

3.2粘滞阻尼器方案

在保持原有结构的支承方式不变的基础上，在主塔和主梁之间增加横向粘滞阻尼器。期望在阻尼器的作用下，减小主梁和主塔的横向耦合振动响应，以减少主塔塔底的内力。

分别测量原方案和粘滞阻尼器方案中XZ方向组合地震和YZ方向组合地震发现：方案效果均不理想，主要由于主塔的塔底弯矩很大一部分并不是由主梁和主塔的横向耦合振动引起的。

3.3塔横梁方案

在原结构的基础上，结合主塔截面尺寸，增加一个矩形截面为10×10m的混凝土横梁，主塔塔底内力如表3。

从表3可以看出，采用塔横梁方案可以很有效的降低主塔塔底弯矩；纵桥向恒载和动轴力叠加之后的数值比原方案变小的原因在于增加塔横梁以后，恒载增加的幅度小于动轴力增加的幅度，所以两者之差较之前变小。

4.分析及结论

4.1不同抗震措施对主塔塔底内力的影响

通过之前的数据分析和比较可以知道，原有减隔震方案结果不理想，而从结构的传力路径出发提出的塔横梁方案可以有效的提高结构受力合理性。

通过对结构的质量分布、结构体系和支承方式的分析，由于结构本身是柔性支承的漂浮体系，自振周期就比较长，通过减隔震方案尽管可以有效的延长结构周期，但是对于降低结构的地震响应效果较差；而该桥抗震设计的主要控制因素是主塔塔底在横桥向弯矩过大，这是由主塔自身重量过大引起的，通过增加阻尼器耗能也不能有效的解决；主缆和吊杆为柔性支承，纵桥向能够提供较大的刚度，很好的分摊主塔纵向内力到主梁及各边墩和过渡墩上，而面外刚度很小，主塔的横向弯矩不能通过主缆传递，所以通過在主塔下增加横梁的方式，可以分摊一部分弯矩，从而使得受力更合理，主塔底部的弯矩也不至于过大。

4.2结论

通过以上分析，得出以下主要结论：

1）对于漂浮式自锚式悬索桥结构，由于自振周期本身就比较长，通过减隔震支座不能有效的减少地震响应，尤其是横桥向主塔的地震响应；

2）主缆和吊杆面外刚度太小，不能有效的传递主塔在横桥向地震作用下的弯矩；

3）主塔本身自重过大，通过在主梁和主塔之间增设粘滞阻尼器不能有效的降低主塔在横桥向地震力作用下的地震响应；

4）桥梁结构抗震设计应该从结构的本身特点出发，了解传力路径，才能得出有效的抗震措施。

参考文献

[1] 城市桥梁抗震设计规范（CJJ 166-2011）[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[2] 范立础，顾安邦.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3] 叶爱君.桥梁抗震[M].北京：人民交通出版社，2002.

[4] M.J.N.Priestley，F.Seible，G.M.Calvi Seismic Design and Retrofit of Bridges [M].New York：John Wiley&Sons;，Inc.

作者简介

张旸（1989-08）男，瑶，湖南怀化，硕士，设计员，助理工程师，研究方向：桥梁设计。

（作者单位：广东省交通规划设计研究院股份有限公司）