横门西特大桥抗震分析及结构体系设计

李 烨

中交公路规划设计院有限公司，北京 100086

1 工程概况

南中高速工程是连接粤港澳大湾区的便捷通道。其中，横门西特大桥地处鸡鸦、小榄水道交汇处，跨径布置为（66+390+324+2×66）m，为独塔双索面半漂浮体系钢箱梁斜拉桥。主梁采用扁平流线型整幅式钢箱梁，斜拉索采用扇形布置，空间双索面，在主梁两侧锚固。索塔采用花瓶型，塔柱断面形状考虑了结构受力需要和建筑景观效果的要求。

项目地处珠江三角洲沉积区，均为第四系覆盖。根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015）、《广东省地震烈度区划图》，项目区地震基本烈度为Ⅶ度（地震动峰值加速度为0.10g），所在区域地震动峰值加速度系数为0.10，该地区地震抗震设防烈度为7度，场地土类型为软弱土，建筑场地类别为Ⅲ类，属抗震不利地段。

2 总体布置

主梁在主塔处设置2个双向支座；在辅助墩处分别设置2个单向摩擦摆支座，横桥向约束；在过渡墩处分别设置2个单向支座，横桥向约束；在主塔处设置横向抗风支座。为了改善结构动力性能，减少地震力、风力、车辆制动力对桥梁结构尤其是伸缩缝装置的破坏，在梁与索塔支座垫石间设置纵向弹性索（共4对索）。

3 约束体系设计过程

独塔斜拉桥由于刚度相对较低，地震相应比较复杂，需要建立动力分析模型，并考虑桩基对结构的影响[1]。结合反应谱分析和时程分析分别对结构进行计算校核[2]，并采取合理的减隔震措施，优化结构体系。采用三维梁单元建立总体模型进行抗震分析，采用土弹簧模拟桩基边界[3]。

3.1 结构横向约束体系设计

结构横向约束体系设计计算分析模型如图1所示。

图1 计算分析模型示意图

相比于静力模型，时程模型中对土弹簧刚度需进行调整，土弹簧刚度依照m值法计算得到，根据抗震设计规范，一般取m动＝（2～3）m静，在该项目中取m动＝2.5m静进行计算。

斜拉桥下部抗震设计中，支座的选取是重点。先不考虑支座的减隔震作用，对辅助墩墩顶支座横向固定、横向活动两种布置形式分别进行分析计算。考虑到边界约束均为弹性约束，可采用反应谱法对结构内力进行匡算。

不考虑减隔震支座下的结构内力分析结果如表1所示（针对抗震专题所提供的几条特征地震波均进行分析计算，表中仅列出分析结果最不利的地震波对应结果）。

表1 不考虑减隔震支座下的结构内力分析结果

由表1可知，单纯采用球钢支座，辅助墩处横向固定，会导致辅助墩底横向受力过大；辅助墩处横向活动，会导致过渡墩底横向受力过大。

因此，在辅助墩处需设置减隔震支座，确保在E2地震作用下，支座起到消能减震作用，在辅助墩分担横向受力的同时，确保辅助墩自身通过强度验算。设计中，采用了摩擦摆支座，在静力及E1地震作用下，支座近似为固定支座，在E2地震作用下，支座抗剪销剪断，支座横向可动，通过控制摩擦摆支座等效半径，可以控制过渡墩与辅助墩的受力分配，最终根据结构受力，选取合适的支座等效半径。

此时，由于边界约束变为非线性约束，采用时程计算分析结构在给定地震波下的位移、内力响应。考虑减隔震支座下的结构内力分析结果如表2所示。

表2 考虑减隔震支座下的结构内力分析结果

由表2可以看到，采用合适的摩擦摆支座，可以减小地震下上部结构的响应，并且有助于过渡墩、辅助墩共同参与受力，减小桥墩各自的内力。

根据上述时程计算结果，得到E2地震左右下支座的等效刚度近似为50000kN/m，并以此更新反应谱模型，对时程结果进行校核。结果显示，反应谱计算结果与时程计算结果近似，但是部分构件内力值小于时程计算下的最大内力值。

3.2 结构纵向约束体系设计

与横向约束体系类似，结构在纵向地震作用下，在索塔处直接将塔梁进行固定约束，将导致索塔塔底截面承载能力不足。但若在此处不进行顺桥向约束，则在百年风作用下，主梁最大位移将大于1m，明显不合理。因此，综合考虑静力、地震作用下的结构受力需要，顺桥向采用在塔梁处设置纵向弹性索的方案限制主梁纵向位移。

同样通过反应谱、时程计算，调整纵向索刚度进行试算，当选用共8束PES7-283l拉索，顺桥向最大约束力为56000kN时，地震作用下最大顺桥向位移约0.24m（针对抗震专题所提供的几条特征地震波均进行分析计算，E2地震作用下结构纵向位移如表3所示，仅列出分析结果中两条分别对应最大及最小位移量），与结构百年风作用下顺桥向位移量相当，同时索塔结构受力满足规范要求。

表3 E2地震作用下结构纵向位移 单位：m

成桥时在弹性索索力满足结构承载力要求的同时，应确保在运营阶段、地震作用下不松弛，因此选用共8束PES7-283拉索，其恒载下张拉力控制在约8000kN，可同时使拉索应力幅、强度满足规范，且运营状态恰好不松弛。

4 关于设计过程的讨论

横门西特大桥横桥向约束体系过渡墩采用球钢支座，辅助墩采用摩擦摆支座，在E2地震工况下，利用辅助墩与过渡墩共同参与结构受力，尽可能保持辅助墩及过渡墩都处于弹性工作状态，确保特大桥结构安全。

横门西特大桥纵桥向约束体系采用了弹性索限制纵向位移，将索塔在E2地震作用及百年风作用下的主梁纵向位移控制在一个较低的水平，同时利用相对于固定支座，弹性索刚度较小的特点，减小了索塔在地震作用下的结构响应，能确保结构安全。

横门西结构体系设计过程中，有以下几点值得注意：

（1）采用减隔振支座、弹性索等措施，可以切实有效地减小结构地震响应，优化结构尺寸。

（2）反应谱分析方法是基于弹性结构的分析方法，即便支座采用等效刚度，依然会和时程分析结果有所出入。

（3）反应谱分析结果并不一定比时程分析结果更不利，因此对于特大桥设计，尤其是受抗震控制设计的桥梁，时程分析不可省略。

（4）结构抗震计算中，应考虑到计算结果受地震波的选取影响较大，在设计过程应多考虑几条独立的地震波，同时结合反应谱结果、静力计算结果综合选取结构参数。

5 结束语

文章针对南中高速横门西特大桥的建设条件及结构特点，合理选用支座类型、弹性索参数，无须设置额外的阻尼、特殊结构限位装置，使得结构静力性能、稳定性好，同时满足运营、百年风、抗震等多工况下的结构受力需求。