独塔斜拉桥合理结构体系及约束方式探讨

2022-05-05刘志才张学义李宏杰

天津建设科技 2022年2期

刘志才，张学义，李宏杰

（天津市政工程设计研究总院有限公司，天津 300392）

独塔斜拉桥造型美观，在100～300 m 跨径范围内的城市桥梁工程中被广泛应用[1～2]，常为独塔双跨式。为了改善独塔双跨式斜拉桥的受力性能，避免过渡墩压重偏大，常采取在斜拉桥范围内增设辅助墩或主梁延伸一跨形成协作体系的方式；在防洪或通航容许的情况下，可优先采用辅助墩体系。在中高烈度地区中等跨度斜拉桥常采用半漂浮体系，其主梁的纵横向约束体系有多种：纵向约束常用的有弹性索、黏滞阻尼器及减隔震支座；横向约束常用的有抗风支座和弹塑性横向钢阻尼支座。结构支承体系及约束方式的选择是斜拉桥设计中的关键问题，部分桥梁因支承体系及约束方式布置不当，出现病害，比如某全漂浮体系的斜拉桥未设置顺桥向静力约束，通车运营后梁体发生了显著的顺桥向位移，黏滞阻尼器被拉坏。弹性索与黏滞阻尼器同时使用的工程案例相对较少，已查到的资料中主要有珠江黄埔大桥北汊主桥[3]及宁波象山港大桥[4]等。本文基于背景工程，对独塔斜拉桥的支承体系、约束方式进行了研究，针对辅助墩的作用、弹性索与黏滞阻尼器组合使用后的减隔震效果进行了一些探索。

1 工程概况

塔里木大桥上跨塔里木河，全长1 418 m。主桥为独塔双跨斜拉桥，跨径布置为41 m+168 m+168 m+41 m，即两主跨均在距离过渡墩41 m处设置了一个辅助墩，桥宽36.5 m。主塔为景观性弧线形混凝土塔，桥面以上塔高106.6 m，桥面以下塔高18.4 m，设置了2 道横梁；塔柱及塔上横梁均为空心薄壁箱形截面。主梁采用流线形扁平钢箱梁，梁高3 m；钢桥面铺装采用5 cm 厚UHPC 超高性能混凝土+3 cm 厚SMA10 磨耗层；平行钢丝拉索，扇形空间双索面，主梁上拉索间距为9 m，主塔上拉索间距为2.3～2.5 m，全桥单侧采用了21对斜拉索，共4种规格，分别为PES7-109、PES7-121、PES7-139、PES7-151。见图1。

图1 主桥总体布置

2 主桥结构体系

项目前期，主桥结构为独塔双跨半漂浮体系，跨径布置为209 m+209 m。施工图设计阶段，维持主桥总跨径基本不变的前提下，对主桥结构体系进行了较深入的研究，对原独塔双跨、辅助墩、协作跨3 种不同结构体系进行结构计算，重点对比了主梁跨中挠度、塔顶水平位移、梁端转角及索塔受力情况。见图2和表1。

图2 主桥的结构体系

表1 不同结构体系静力计算结果比较

从表1 可以看出：原独塔双跨体系的整体刚度最小，虽然满足JTG/T 3365-01—2020《公路斜拉桥设计规范》要求，但在同类型项目中活载位移偏大，索塔应力亦最不利，最大压应力已超过C50 混凝土的抗压强度设计值；因此非常有必要对原体系进行适当改进。

辅助墩体系及协作跨体系均能有效提高结构整体刚度；相比之下，辅助墩体系的效果更显著，尤其是在降低塔顶活载顺桥向位移方面，辅助墩体系的塔顶活载顺桥向位移仅为协作体系的约60%。辅助墩体系及协作跨体系均能有效降低主塔拉、压应力；辅助墩体系综合效果更好。辅助墩体系及协作跨体系均能有效降低连接墩位置的伸缩缝最大转角：辅助墩体系伸缩缝处最大转角仅为原独塔双跨体系的11.4%；协作跨体系伸缩缝处最大转角仅为原独塔双跨体系的19.7%；辅助墩体系的效果更优。

综上所述，在结构受力方面，辅助墩体系及协作跨体系均对原独塔双跨体系有较大改善；辅助墩体系在提高结构整体刚度、降低主塔应力及减小伸缩缝处最大转角均优于协作跨体系；辅助墩体系主塔更高、更挺拔，拉索布置范围大，整体气势宏伟，景观效果优于协作跨体系；另外主跨168 m已满足水利要求；故本桥最终选择了辅助墩结构体系。

3 主桥支承及约束体系

由于主桥桥面较低，桥塔未设置下横梁，主梁通过设置在承台上的墩柱进行支承，与主塔不直接连系。无论哪种结构体系，斜拉桥主梁的荷载一般均传递给桥塔；但本桥主梁的支座反力直接传递给了主墩墩柱，减少了主塔承担的荷载，有利于结构设计[5]。

主桥采用半漂浮结构体系，见图3和表2。

表2 主桥支承及约束系统

3.1 体系设计

3.1.1 竖向

主墩、辅助墩及过渡墩均采用双向滑动球形钢支座支承主梁；主墩及辅助墩的球形钢支座均布置在墩柱上，过渡墩的球形钢支座布置在盖梁上。

3.1.2 顺桥向

过渡墩位置无顺桥向约束；辅助墩及主墩位置均设置了纵向黏滞阻尼器：主墩布置4个，每个辅助墩布置2 个。黏滞阻尼器对瞬时阵风、刹车和地震等引起的动荷载具有阻尼耗能作用，但对温度、汽车和一般风荷载引起的缓慢位移无约束。故为了限制活载、一般风荷载等作用下主梁的纵向漂移并辅助结构抗震，在主墩处设置纵向弹性索。

3.1.3 横桥向

主墩及辅助墩均设置弹塑性横向钢阻尼支座，既可约束主梁受到一般风荷载等作用下的横向变位，又可减少主梁在横桥向地震、阵风等瞬时作用下横向位移及结构整体内力响应。为了降低伸缩缝的横向反复变形，过渡墩处采用了横桥向抗震挡+抗风支座的形式。

3.2 规格与连接方式

1）主桥纵桥向在主墩和辅助墩处均设置了同一型号的黏滞液体阻尼器，主墩4个，每个辅助墩2个，主桥共设置8个。单个阻尼器设计最大阻尼力为3 000 kN，设计行程为400 mm，阻尼指数为0.3，要求能适应横桥向±5°的反复变形；黏滞阻尼器一端固定在主墩或辅助墩墩柱的支座垫石上，一端固定在钢箱梁上。

2）弹性索采用整束挤压钢绞线拉索，型号为GJ15-19，单根长度49.5 m，从主墩位置向两侧主梁各布置8根，主桥共16根。弹性索的张拉端布置在主墩墩柱的支座垫石上，固定端锚固在钢箱梁外置的钢锚箱上。

3）主墩及辅助墩均设置了同一型号的弹塑性横向钢阻尼支座，主墩布置了4 个，每个辅助墩布置2个，主桥共8 个，其技术参数：高度1 200 mm，屈服力1 750 kN，纵向水平位移±400 mm，横向水平位移±240 mm。横向钢阻尼支座上端与钢箱梁栓接，下端通过预埋螺栓与墩柱及垫石连接。与抗风支座相比，横向钢阻尼支座刚度小、位移大、耗能好，传递到墩柱的横桥向地震力也明显降低。

4 主桥顺桥向约束方式的比选

主桥顺桥向约束方式主要影响其动力及地震响应，同时也需要考虑桥梁正常使用状态下的性能，尤其需要防止顺桥向位移过大导致的系列问题。桥位处场地地表设计地震动参数：50 a 超越概率10%（E1）水平下，地震动峰值加速度为0.135g，地震动反应谱特征周期为0.55 s；100 a 超越概率5%（E2）水平下，地震动峰值加速度为0.220g，地震动反应谱特征周期为0.60 s。根据地震安平报告提供的E1、E2各3条地震时程波，考虑了5种不同顺桥向约束体系，进行了抗震时程分析：①无约束；②仅布置弹性索；③仅布置黏滞阻尼器；④弹性索与黏滞阻尼器同时布置；⑤采用NDQZ非线性阻尼辐减隔震球形钢支座。

约束方式②～④所用弹性索及阻尼器的规格与前述一致。NDQZ 钢支座是一种新型减隔震球形钢支座，通过弹塑性钢阻尼原件耗能，可实现多水准逐级设防、全桥协同抗震的效果，已在多座斜拉桥上应用。本项目采用规格为NDQZ-10000-ZX-e250 及NDQZ-10000-GD 的钢支座。E2地震作用下不同顺桥向约束方式下主桥的地震响应见表3。

表3 不同顺桥向约束方式下主桥E2地震响应

从表3可以看出：仅采用弹性索减震效果较差，梁端位移、弹性索内力及主塔塔底内力、主墩墩柱内力均比较大；对本桥而言，与NDQZ 非线性阻尼辐减隔震球型钢支座相比，黏滞阻尼器的减震效果更好，尤其在顺桥向地震位移控制上；与仅布置弹性索相比，弹性索与黏滞阻尼器同时布置的方式明显降低了弹性索本身的内力；与仅布置黏滞阻尼器相比，弹性索与黏滞阻尼器同时布置的方式对梁端地震位移控制略好，主塔塔底内力有所降低，主墩墩柱内力则有所增大，但总体上差别并不明显；说明起到减隔震作用的主要还是黏滞阻尼器，弹性索仅为辅助作用。

设计最终采用了弹性索与黏滞阻尼器同时布置的方式，理由是：

1）弹性索可以辅助抗震，有一定的减震效果；

2）在正常使用阶段，本桥顺桥向需要约束，以抵抗主塔两侧顺桥向的不平衡索力以及汽车制动力等顺桥向荷载，可采用设置固定支座或设置弹性索的方法。

固定支座的螺栓一般建议在E1地震作用下不剪断；或取E1地震作用与正常使用要求的水平承载能力二者之间的某一中间值，E2地震来临时剪断。对本桥而言，桥塔位置主梁直接支承在墩柱上，设置固定支座将导致主墩墩柱在E1地震作用下受力显著增大；而弹性索为柔性装置，在E1地震下也可与黏滞阻尼器共同作用，大大降低了地震响应。需要说明的是，斜拉桥应考虑正常使用阶段的顺桥向约束；若无此约束，则在汽车和温度等作用下梁体可能滑动，甚至出现梁体滑动后继续拖拽黏滞阻尼器，最终阻尼器损坏、主梁局部变形的病害。