大跨度斜拉桥主体结构的抗震设计与加固技术

方迎春

摘要：简述了大跨度斜拉桥抗震设计理论，结合实际工程通过构建有限元模型、结构抗震体系比较和拉索减震支座的设计，详细阐述了大跨度斜拉桥的抗震设计技术，进而叙述了大跨度斜拉桥抗震设计注意事项和大跨度斜拉桥加固技术，为建设大跨度斜拉桥提供了借鉴。

关键词：大跨度斜拉桥；主体结构；抗震设计；加固技术

0   引言

大跨度斜拉桥工程在抗震设计和加固技术方面，是研究和改进的重点和难点。在工程技术人员的持续努力下虽然取得了诸多成果，但是目前仍然具有研究和改进的空间和必要性。基于此，本文重点研究大跨度斜拉桥的抗震设计与加固技术，旨在优化大跨度斜拉桥的结构组合方式、改善其结构组合状态、提高其抗震性能。

1   大跨度斜拉桥抗震设计理论

1.1   抗震设计类别

1.1.1   概念设计

概念设计是提高大跨度斜拉桥抗震性能的重要方式，根据其主体结构的关系，确定行之有效的抗震措施，确保按照抗震设计方案建设的桥梁具有可靠的抗震性能。同时，大跨度斜拉桥抗震设计中的概念设计还可评估桥梁对地震的适应能力，结合当地的地震资料，确定可适应特定地震强度等级的桥梁抗震结构。经过概念设计，设计人员可以灵活优化大跨度斜拉桥的抗震设计方式，改进其抗震结构，提升其抗震设计方案的可行性[1]。

1.1.2   延性设计

延性设计的目的在于提高大跨度斜拉桥对地震的抵御能力，以免因地震作用导致其结构失稳甚至坍塌。设计人员做好大跨度斜拉桥的有效延性设计，有利于提升桥梁结构性能，发挥桥梁的延性特征，确保大跨度斜拉桥在地震作用下仍保持原状。

地震对大跨度斜拉桥的破坏具有多样性，但普遍具有运动破坏强于力学破坏的特点，因此需要将配筋设计作为大跨度斜拉桥延性设计的重点内容，增加配筋，从而提升桥梁的抗破坏性能，保证桥梁在设计使用年限内均保持稳定运行。在大跨度斜拉桥的延性设计中，还需评估设计数据的可行性，验证桥梁抗震性能，必要时根据评估结果改进抗震设计方案。

1.1.3   减震隔震设计

减震隔震设计的目的在于使大跨度斜拉桥结构吸收地震波，使其在受到地震作用后仍保持稳定。大跨度斜拉桥的减震隔震设计重点在于三点：

一是保证桥墩柱受力均匀，依靠抗震性能的优势保证桥梁在地震作用时的稳定性；二是精心设计阻尼器、支座伸缩缝等桥梁减震隔震装置，在此类装置和桥梁结构的共同作用下，提升桥梁的抗震性能；三是减震隔震设计时需考虑低频分量的影响，根据该影响优化抗震设计方案，确保桥梁具有良好的减震隔震性能。

1.2   结构抗震体系分类

根据大跨度斜拉桥的结构特点和相关地震资料，提出3种结构抗震体系，如下所述。

1.2.1   固结体系

墩梁之间设置纵向滑动支座，包含单向支座、双向支座和固定支座，并在主塔处采用塔梁固结。

1.2.2   半漂浮体系

塔梁、墩梁之间设置纵向滑动支座，支座形式与固结体系保持一致，并在主塔处设置纵向滑动支座。

1.2.3   弹性索体系

保留半漂浮体系的结构组成方式，区别之处是在塔梁之间设置抗拉强度为一定设计值的钢绞线作为弹性索，用于优化主梁地震惯性力的传力路径。

2   针对实际工程的抗震设计

2.1   工程概况

某独塔双索面大跨度斜拉桥总长为827m，主桥全长为519m，桥面宽度为44.0m，跨度为89m+245m+185m。主塔塔身为水滴形桥塔，高度为146m，斜拉索为空间扇形双索面形式。主梁采用混合梁，边跨及主跨非索锚区采用混凝土箱梁，索锚区采用叠合梁，纵梁为梁高2.75m的箱形截面。混凝土梁的中支点梁高为8.0m，设计为变截面双箱断面。

2.2   构建有限元模型

2.2.1   建模方式

该大跨度斜拉桥建模软件采用SAP2000有限元软件，主梁、主塔、桥墩采用空间弹性梁单元模拟，结构自重通过赋予材料重度和截面面积实现，斜拉索采用梁单元模拟，垂度效应根据Ernst公式确定，释放梁端弯矩。塔、墩基础的桩与土相互作用采用空间六弹簧模型模拟，且均设置为群桩基础。桥梁支座竖向按固定处理，滑动方向用双线性理想弹塑性弹簧连接单元代表。该大跨度斜拉桥的有限元模型如图1所示。

2.2.2   输入地震动数值

该大跨度斜拉桥桥址处的地震烈度为Ⅷ度，50年2%超越概率水平地震动的特征周期为0.90s，地震动的加速度峰值为0.337g。根据场地地震安全性评价报告，其竖向地震动取水平地震动的0.65倍。

2.3   结构抗震体系比较

2.3.1   固結体系和半漂浮体系的缺陷

经过对该大跨度斜拉桥桥墩地震力、桥墩支座位移的对比分析可知，固结体系和半漂浮体系的桥墩墩底弯矩均较小，主梁位移较大，说明这2种体系在较强地震的作用下，桥梁的重要结构将受到严重的影响，存在较高的地震损坏风险。

桥墩是桥梁的重要受力构件，其稳定性直接影响全桥稳定状态，但这2种体系在遇到较强地震作用时并不能充分发挥桥墩的抗震性能，显然桥墩结构组成的固结体系和半漂浮体系不能满足抗震需要。

2.3.2   弹性索体系的优势

经过有拉索支座与无拉索支座的位移量对比可知，该大跨度斜拉桥对地震内力和位移控制，以弹性索体系的应用效果最好。采取弹性索体系设计的拉索减震支座，可由桥墩承担一部分桥梁受到的地震力，能够有效控制墩梁、塔梁位移现象，维持桥梁的良好受力状态，提升桥墩的抗震性能。同时说明，拉索减震支座是该大跨度斜拉桥工程中应用效果最好的抗震设防策略[2]，可将弹性索体系应用于该桥梁工程中。有拉索支座与无拉索支座位移量对比如图2所示。

分析图2可知，5座桥墩有拉索支座的位移量降低至0.31～0.34m，5座桥墩有拉索支座的位移量比无拉索支座的位移量分别减少了15.8%、22.5%、13.9%、15.4%、10.5%。

2.4   拉索减震支座的设计

2.4.1   设计思路

该大跨度斜拉桥拉索减震支座充分保留球钢支座受力稳定可靠的性能优势，并联合应用具有柔性、高强度特性的钢绞线构成的综合型拉索减震支座，可以取得良好的抗震效果。当桥梁遭遇地震时，球钢支座的抗剪销钉被剪断，从而发生滑动并形成减震隔震体系，以减弱地震对桥梁结构的不良影响。配置的钢绞线拉索装置则有效稳固墩梁，避免其发生位移。

通过球钢支座和钢绞线拉索恢复力曲线的组合，形成拉索减震支座的恢复力模型。若支座位移小于拉索抗震支座的自由行程（u值），不发挥拉索的限位作用；否则将通过拉索限制抗震支座，达到维持抗震支座稳定性和减弱地震作用力的效果。

2.4.2   设计方案

在该大跨度斜拉桥的抗震设计中，拉索抗震支座的自由行程可根据下部结构的抗震性能做灵活调整。根据变化规律，该自由行程越小则地震位移越小、地震内力越大；该自由行程越大则地震位移越大、地震内力越大[3]。

为了强化该大跨度斜拉桥的抗震性能，将全桥支座均设置为弹性索减震支座。根据拉索减震支座设计思路进行参数分析后，决定将主桥拉索减震支座的自由行程设计为0.3m，以此来兼顾地震内力与位移的平衡关系。

3   大跨度斜拉桥抗震设计注意事项

3.1   优选设计方案

如果大跨度斜拉桥位于强地震地带或者频繁地震地带，最好采用延性抗震和减震隔震相结合的设计方案来进行抗震设计，这样的设计既有利于达到抗震的效果，也可节省造价。

采用减震隔震设计方案时，最好选用新工艺和新材料，避免发生地震时桥梁抗震效果达不到预期，必要时可通过反复实验来研究、分析和验证。如果出现抗震性能验证不符合要求的情况，可采取相应的措施进行纠正甚至改变设计结构，然后再对调整后的抗震能力是否达标重新进行验证，直到符合预期效果为止。

3.2   改进桥梁墩柱结构

可通过加强墩柱塑性区域配筋，保证桥墩结构能形成一个适当的塑性耗能构件，有效加强墩柱的延性。如果发生地震，墩柱配箍越多，其底部截面的塑性转角就越大，非常有利于提高结构的安全性和可靠性。

设计桥梁墩柱的延性时，可利用墩柱的延性变形耗能这一特点，适当降低墩底的弯矩，使其塑性转角限制在要求以下，这样更有利于提高桥梁结构的安全性和经济性。

3.3   改进桥梁上部结构

如果在大跨度桥梁设计中已经采用了简支梁结构，则有必要对桥面进行必要的加固设计，这是为了确保桥梁结构的连续性。为保证桥梁上部结构及墩台不发生相对位移，可通过设置防挡块来达到此目的。设计者一定要在桥梁结构上慎重考虑，尽可能采用连续梁结构，减少对简支梁结构的依赖程度。

4   大跨度斜拉桥加固技术

4.1   桥梁加固的重要性

在地震作用下，大跨度斜拉桥可能出现明显震坏现象，其稳定性下降。若梁板受损，有可能诱发桥面断裂、桥梁崩塌事故，严重时导致下部结构墩柱与支座断裂。因此需要在做好抗震设计工作的同时，采取桥梁结构加固技术，确保桥梁结构在遇到地震作用时仍维持稳定。

4.2   桥梁钢板加固

通过钢板加固技术提高桥梁结构的刚度，控制桥梁中轴和加固范围，避免桥梁结构因地震作用而出现明显的裂痕。加固采用的钢板应满足材质可靠、尺寸合理、稳定等要求。

4.3   桥梁部件加固

先确定桥梁连接部位的伸缩性能并进行对比评价，判其断伸缩性能是否达到技术要求。再根据评价结果采取合适的部件加固技术。桥梁部件加固后，其具有更好的稳定性，可避免因地震作用而发生位移，可缩小地震对桥梁结构的影响范围，可避免出现传递性裂痕。

4.4   桥梁连接部件加固

大跨度斜拉桥的受力抗压性能与连接部件的质量息息相关，妥善加固桥梁连接部件至关重要，经过充分的加固后，能够避免连接部件位移、结构开裂等问题，有效提升桥梁的稳定性[4]。

5   结束语

综上所述，在地震高烈度区域建设大跨度斜拉桥，为了有效控制地震作用下的主梁位移，不宜采用塔梁固结体系，宜将弹性索体系作为抗震设防体系。秉承桥梁抗震性能最佳化原则，本文所述大跨度斜拉桥工程实例采用拉索减震支座，可有效发挥桥墩的抗震性能，避免因地震作用而引起支座位移、主塔地震内力过高等问题。根据桥梁结构特点采取加固技术，可提升桥梁关键结构的穩定性，有效抵御地震灾害。

参考文献

[1] 曾辉.桥梁结构抗震设计与设防措施研究[J].工程建设与设计，2023（2）：99-101.

[3] 刘楚，文琰.桥梁抗震与抗风设计理念及设计方法研究[J].工程建设与设计，2022（7）：76-78.

[2] 刘伟庆，宋佳润，李雪红.大跨悬索桥吊索抗火性能与新防护结构研究[J].中国公路学报，2022，35（1）：222-237.

[4] 殷建强，周跃，洪亮，等.基于能力需求比法的矮墩大跨度PC连续梁桥延性和减隔震设计评价[J].中外公路，2021，41（5）：181-186.