塔梁约束体系对空间扭索面独塔斜拉桥桥梁抗震性能影响研究

2023-12-06吴江

交通科技与管理 2023年22期

吴江

（广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司,广东广州 510507）

0 引言

随着城市化进程的加快和交通需求的增大，桥梁作为城市交通的重要组成部分，承担着越来越大的交通运输压力。然而，地震作为一种不可预测的自然灾害，给桥梁结构带来了巨大的破坏风险。因此，提高桥梁的抗震性能成为重要的研究课题。独塔斜拉桥作为一种新型的桥梁结构形式，具有较高的经济性和美观性，被广泛应用于不同规模和跨度的桥梁工程。其采用单座塔梁和斜拉索来支撑桥面，使得整个桥梁形成了一个稳定的结构系统。然而，在地震作用下，独塔斜拉桥桥塔承受了主要地震惯性力[1-8]，故地震严重影响桥梁的安全性和可靠性。

在研究桥梁抗震性能的过程中，塔梁约束对桥梁的整体刚度和稳定性具有非常重要的影响。然而，目前对于独塔斜拉桥塔梁约束对桥梁抗震性能影响的研究还相对较少，特别是在不同约束设置条件下，对桥梁结构的地震响应研究尚不充足。随着国民经济的腾飞，人们对桥梁美学的要求越来越高，空间扭索面独塔斜拉桥以其独特及富有张力的造型脱颖而出，但其受力模式与常规结构受力概念设计相违背，因此研究其塔梁约束方案对该类斜拉桥的抗震性能的影响具有非常重要的意义。

该论文旨在通过对某独塔空间扭索面斜拉桥进行塔梁约束研究，探索不同约束方案对桥梁抗震性能的影响。采用SAP2000 建立该独塔斜拉桥的有限元模型，在地震荷载下进行动力响应分析，得到桥梁在不同约束方案下的地震响应。通过对比结构地震响应得到该类斜拉桥最优的塔梁约束方案。

该论文的研究内容和方法具有一定的理论和实践意义。为该类体系独塔斜拉桥的抗震设计提供新思路和参考，同时对推广和应用该类独塔斜拉桥结构具有一定的实际指导意义。

1 工程概况及有限元模型的建立

1.1 工程概况

某工程为空间扭索面独塔斜拉桥，跨径组合为（268+158+55+85）m，主塔为独塔双柱塔，桥型立面图如图1 所示，联系双柱的横系结构造型取自“丰”的古体字，桥塔构造图如图2 所示。塔柱总高为178 m，桥面以上高度为145 m。塔柱截面为矩形截面，从上至下逐渐增大，横桥向尺寸由5 m 增大至8.5 m，纵桥向尺寸由6 m 增大至15 m，塔柱截面在桥面以上20 m 处开始纵桥向分为两肢，塔底单肢纵桥向厚度为6 m，两肢的间隙为3 m，总尺寸为15 m。对于混凝土塔，共设置三种壁厚，主塔横系梁以下的下塔柱部分壁厚1.5 m；中塔柱壁厚1.2 m；拉索区作为上塔柱，壁厚1 m。对于钢混组合塔，共设置两种壁厚，主塔横系梁以下的下塔柱部分壁厚1.2 m；中塔柱及上塔柱壁厚1 m。

图1 桥型布置图（cm）

图2 桥塔一般构造图（cm）

拉索采用双索面方案，拉索与主梁的连接方式与普通斜拉桥不同，桥塔最高的锚固点与最靠近桥塔的主梁锚固点箱梁相连，桥塔最低的锚固点与最远离桥塔的主梁锚固点箱梁相连。造型像飞翔的翅膀，是一个美学与力学相融合的拉索布置方式。

1.2 地震波选取及有限元模型的建立

由于地震动受地震发震机理、传播介质、场地条件因素影响，具有很大的不确定性，模拟不同场地的地震动时程难度很大。在不同的地震动输入下，结构体系的位移、内力也不尽相同。因此，在进行计算分析时，合理地选择地震动是非常必要的。根据其选取原则，该文从PEER 数据库中选取了3 条天然地震动记录，如图3所示。

图3 3 条地震动时程曲线

采用SAP2000 Nonlinear 有限元程序，应用三维有限元模型建立了该桥动力计算模型进行抗震性能分析，其有限元模型如图4 所示，计算模型均以顺桥向为X 轴，横桥向为Y 轴，竖向为Z 轴。模型中主塔、主梁、过渡墩及辅助墩均离散为空间梁单元，其中主梁采用单梁式力学模型，并通过主从约束同斜拉索形成“鱼骨式”模型；斜拉索采用空间桁架单元并进行端部释放模拟拉索，采用P-delta 力模拟拉索拉力对桥梁结构的几何刚度影响，为了减少计算量，采用FNA 法进行非线性时程分析，结构阻尼取0.03。

图4 计算模型

2 塔梁约束方案研究

为研究不同塔梁约束方案对空间扭索面独塔斜拉桥抗震性能的影响，建模时不考虑材料的非线性，过渡墩及辅助墩采用滑动支座，其中塔梁连接约束如表1 所示。

表1 塔梁约束方案

2.1 不同塔梁约束下结构动力特性

不同塔梁约束下结构动力特性，如表2 所示。

表2 不同塔梁约束下结构动力特性

由表2 可知，塔梁约束对桥梁结构的动力特性影响较大。体系一由于纵向采用塔梁固结，约束刚度较大，其一阶主塔与主梁纵向基频最大；体系一与体系四横向均设置抗风支座，故其横向刚度较大，其主塔与主梁横向基频大于体系五基频；体系五取消横向抗风支座，通过设置拉索减震支座实现横向抗风及主梁横向限位功能，可有效降低结构纵横向刚度，体系五一阶振型图如图5所示。

图5 体系五一阶振型

2.2 不同塔梁约束下结构地震响应

E2 地震下纵桥向关键截面地震响应如图6 所示，由图6 可知，体系一采用塔梁固结体系，塔梁约束刚度最大，故地震作用下，桥塔地震响应最大；体系2 采用塔梁纵向自由，其约束刚度最小，桥塔处各关键截面地震相应最小，相较于体系一，塔底弯矩减小约19%；体系三采用纵向自由+纵向阻尼器装置，纵向阻尼器具有限制主梁位移及耗能能力，塔底弯矩减小约14%；体系四塔梁连接采用摩擦摆支座，由于摩擦摆支座具有一定的隔震效果，桥塔关键截面地震响应相较于体系一减小11%；体系五采用拉索减震支座，在E2 地震作用下，拉索减震支座固定栓销被剪断，支座开始滑移，当滑动量超过容许位移时，拉索限位装置发挥作用，限制主梁位移，从而实现耗能能力，塔底弯矩减小约13%。

图6 E2 地震下纵桥向关键截面地震响应

E2 地震下横桥向关键截面地震响应如图7 所示，由图7 可知，体系一至体系四采用横向抗风支座，横向约束刚度基本一致，故横向地震响应相差不大；体系五取消横向抗风支座，采用固定拉索减震支座，其作用机理为在E1 地震作用下及风荷载作用下，固定拉索减震支座的栓销未被剪断，故其相当于横向抗风支座的作用，在E2 地震作用下，栓销被剪断，横向约束释放，支座开始滑动，从而实现耗能能力，当支座位移超过初始安全位移时，拉索限位装置发挥作用，从而防止塔梁碰撞，相较于体系一，体系五横向地震相应在塔梁相接处减少17.2%。