大跨度斜拉桥的弹性约束体系研究

大跨度斜拉桥的弹性约束体系研究

1结构体系设计斜拉桥由桥塔、桥面系统、斜墙、路堑（锚定杆、辅助杆）和支撑连接装置组成（支架等）。斜拉桥的大部分质量集中在桥面系,因而,地震惯性力也主要集中在桥面系。桥面系的地震惯性力通过斜拉索和支座传递给桥塔、边墩,再由桥塔、边墩传递给基础,进而传递给地基承受。在工程界,斜拉桥的结构体系一般是根据梁、塔、索的结合方式来划分的。梁、塔、索的结合方式不同,则桥面系的地震惯性力的传递方式不同,因此地震反应也将大不相同。从抗震设计的角度来看,双塔三跨斜拉桥的结构体系大致可分成四类:①全漂浮体系或半漂浮体系:塔、梁分离,塔与梁之间设0号索或滑动铰支承;②塔、梁固结体系或塔、梁固定铰支承体系;③塔、梁不对称约束体系:塔、梁分离,一个塔与梁之间采用固定铰支承,另一个塔与梁之间采用滑动铰支承;④塔、梁弹性约束体系:塔、梁分离,塔与梁之间除设滑动铰支承外,还增设纵向弹性约束装置或构件。斜拉桥的整体抗震性能主要取决于所选用的结构体系。因此,对各种结构体系进行分析研究,从中选用抗震性能较好的结构体系,在斜拉桥的抗震设计中是非常关键的一步。2结构体系的刚度与加速度斜拉桥的整体抗震性能一般从两个方面进行评价,即内力和位移。在地震作用下,斜拉桥的内力和位移都是越小越好。但这两个方面往往是相互矛盾的。要使得内力反应小,往往要付出较大位移的代价,反之也一样。如图1所示,结构的周期越长,则加速度越小,因而内力也越小。不同的结构体系,梁、塔、索的结合方式不同,则体系的刚度也不同。体系的刚度越小,则周期越长,加速度越小,而位移却越大。(1)半漂浮体系的应用全漂浮体系或半漂浮体系的塔、梁分离,全漂浮体系的塔与梁之间仅通过0号索支承,而半漂浮体系的塔与梁之间设滑动铰支承。与其它体系相比,全漂浮体系或半漂浮体系的纵桥向刚度最小,周期最长,因此在地震作用下的位移反应最大,但塔柱的内力反应最小。当斜拉桥的跨度不大时,桥梁的整体刚度相对较大,位移还不成问题,主要是内力控制设计,这时,采用全漂浮体系或半漂浮体系显然是明智的选择,特别是在烈度较高的地区。而随着斜拉桥跨度的增大,位移的矛盾逐渐突出,全漂浮体系或半漂浮体系就越来越不适合了。对于跨度近1000m的超大跨度斜拉桥,全漂浮体系或半漂浮体系将会导致相当大的位移,应避免采用。(2)在拉桥施工过程中,各与全漂浮体系或半漂浮体系正好相反,塔、梁固结体系或塔、梁固定铰支承体系的纵桥向刚度最大,周期最短,因此在地震作用下位移反应最小,但是所导致的塔柱内力反应最大。另一方面,对于大跨度的斜拉桥,由温度引起的塔柱内力也相当大。因此,这两种体系一般不宜采用,尤其在烈度较高的地区要避免采用。(3)梁、梁的不对称力和斜拉桥结构设计一般在拉塔、梁不对称约束体系中,一个塔与梁之间采用固定铰支承,另一个塔与梁之间采用滑动铰支承。这种体系的纵桥向刚度也较大,位移较小。问题主要是,两塔与梁的不对称约束造成惯性力传递的极不均匀,从而使两塔的地震反应内力相差悬殊,甚至会有几倍的差距。但是另一方面,斜拉桥的结构设计一般都是对称的,即两塔采用相同的结构设计。因此,不对称约束体系不利于两塔抗震能力的充分发挥,不是一种理想的抗震结构体系,在烈度较高的地区,应避免采用。(4)内荷载协调方案塔、梁弹性约束体系是半漂浮体系和塔、梁固定铰支承体系的一个折中方案,试图在桥梁的位移和内力之间进行协调。在地震作用下,通过选用适当的弹性约束刚度,塔、梁弹性约束体系能够兼顾桥梁的强度和变形能力,应该说是一种比较理想的抗震结构体系。3梁弹性约束体系由上述分析可知,对于大跨度的斜拉桥,塔、梁弹性约束体系是一种比较理想的抗震结构体系。实现这一体系的关键,在于如何选用合适的弹性约束刚度,以及如何在结构中实现弹性约束。3.1塔底弯矩与地震反应在塔、梁弹性约束体系中,弹性约束刚度的取值对桥梁整体抗震性能有着直接的影响,因此很有必要进行深入研究。很显然,随着弹性约束刚度的增大,体系的整体刚度增大,周期减小,因此桥梁的位移减小。另一方面,桥面系的水平惯性力随着弹性约束刚度的增大而增大,从而传递到塔柱的惯性力也增大,因此塔底截面的剪力将增大。至于塔底截面的弯矩,还与惯性力的传递途径及其力臂有关,因此变化规律比较复杂。如图2所示,在地震作用下,桥面系的水平惯性力P0通过斜拉索和塔梁弹性约束装置传递到主塔,假定两种路径传递的惯性力分别为P1和P2,并定义α=P1/P0。则塔底弯矩可近似表达为:M=P1h1+P2h2=αP0h1+(1−α)P0h2=P0h2+αP0(h1−h2)(1)Μ=Ρ1h1+Ρ2h2=αΡ0h1+(1-α)Ρ0h2=Ρ0h2+αΡ0(h1-h2)(1)式中,h1为通过斜拉索传递的惯性力的力臂;h2为通过塔梁弹性约束装置传递的惯性力的力臂,且有h1>h2。随着塔梁弹性约束刚度的增大,P0逐渐增大,而α逐渐减小。因此,由式(1)可知:M不是单调递增函数,而将会出现一个低谷。下面以福建闽江大桥和南京长江二桥南汊主桥(主要参数见表1)为例进行分析。地震反应分析中所采用的反应谱见图3,分别沿纵桥向(系数为1.0)和竖向(系数为2/3)同时输入。在两座斜拉桥的塔、梁连接处,不断改变纵桥向约束刚度(1.0×10-10、1.0×103、5.0×103、1.0×104、5.0×104、1.0×105、1.0×1010kN/m),并进行了一系列地震反应分析。图4～7分别显示了两座斜拉桥塔顶位移、梁端位移、塔底剪力和塔底弯矩随弹性约束刚度的变化情况。从图4～7中可以看出:(1)随着塔梁弹性约束刚度的增大,塔顶和梁端的位移很快减小。而且,塔顶和梁端的位移不论是变化规律还是数量都很接近。(2)随着塔梁弹性约束刚度的增大,塔底剪力不断增大,然而在一定范围内变化不大。(3)随着塔梁弹性约束刚度的增大,塔底弯矩总体上不断增大,但有一个小低谷出现。从图4～7还可以看出,在一定的刚度范围内(如图例中为1.0×103～1.0×105kN/m),塔柱的内力反应变化不大,而塔顶和梁端的位移反应却变化相当大。因此,在实际工程中,可主要从位移要求出发来决定是偏大还是偏小进行取值。一般来说,对于大跨度的斜拉桥,弹性约束刚度可取1.0×105kN/m作为参考值。3.2斜拉桥节点的设置实施塔、梁弹性约束可以采用多种构造措施,其中比较简单的为斜索构造和橡胶装置。我国■石桥是一座主跨518m的混合式斜拉桥,为了实现塔、梁弹性约束,在主塔的两侧各设置了1根长54m,由55股7ϕ5高强钢丝组成的钢绞线,一端固定在主塔下横梁上,另一端固定在主梁上。而世界上跨度最大的斜拉桥,主跨890m的日本多多罗桥,则采用剪切型橡胶装置来实现塔、梁弹性约束。另外,大尺寸铅芯支座和液压缓冲设备也是非常值得考虑的方案。铅芯支座具有较好的减震效果,而且在正常使用条件下,由温度、收缩、徐变等变形引起的抗力很小。液压缓冲设备也可以做到同样的效果,如丹麦大海带(theGreatBeltEast)大桥上就安装了这种缓冲器。4结构体系的地震反应分析某一桥梁设计方案为主跨1088m的双塔双索面钢斜拉桥,跨径布置为(100+100+278+1088+278+100+100)m。索塔为钢筋混凝土塔,塔高为280m。主梁高4m,宽37m,采用封闭扁平流线型钢箱梁。在进行方案设计时,考虑了4种结构体系,即塔、梁不对称约束体系(左塔处设固定铰支座,右塔处设滑动铰支座),半漂浮体系,塔、梁固定铰支承体系,塔、梁弹性约束体系(弹性约束刚度取1.0×105kN/m)。采用图1所示的反应谱分别沿纵桥向和竖向同时输入(水平地震加速度峰值取为0.17g,竖向取为水平向的2/3倍),对4种结构体系进行了地震反应分析。反应结果比较分别见表2和表3,表中各体系的反应均以半漂浮体系的倍数来表示。表2和表3的数据表明,半漂浮体系的内力较小,但位移相当大;固定铰支承体系和不对称约束体系的位移都较小,但从受力上看相当不利,特别是不对称约束体系;总体上看,弹性约束体系是最为理想的。这一结果和前述的观点是一致的。根据分析比较,该斜拉桥方案最终选择了塔、梁弹性约束体系。5结构体系设计通过以上分析,可以得到如下结论:(1)塔、梁不对称约束体系不利于两塔抗震能力的充分发挥,一般应避免采用。(2)塔、梁固结体系或塔、梁固定铰支承体系将会导致较大的内力,一般不宜采用。(3)当斜拉桥的跨度不是很大时,主要由内力控制设计,全漂浮体系或半漂浮体系比较适合;但当跨度很大时,如近1000m跨度的超大跨度斜拉桥,则该类体系就不宜采用。(4)对于大跨度斜拉桥,塔、梁弹性约束