1、文章編號:1003-4722(200204-0001-04斜拉橋抗震結構體系研究葉愛君,胡世德,范立礎(同濟大學橋梁工程系,上海200092摘要:從抗震設計角度對斜拉橋的各種結構體系進行了分析比較。著重對一種比較適合大跨度斜拉橋的抗震結構體系,即塔、梁彈性約束體系進行了分析研究,建議了彈性約束剛度的取值原則及范圍,并介紹了幾種實現塔、梁彈性約束的構造措施。最后,舉例說明斜拉橋方案設計中抗震結構體系的比選。關鍵詞:斜拉橋;抗震設計;性能比較;彈性約束剛度中圖分類號:U442.5+5文獻標識碼:AR esearch on Aseism atic Structural System of C abl

2、e 2stayed B ridgeYE Ai 2jun ,HU Shi 2de ,FAN Li 2chu(Department of Bridge Engineering ,T ongji University ,Shanghai 200092,China Abstract :According to the aspect of the aseismatic design ,several structural systems of cable 2stayed bridge were analyzed and com pared.A s ort of aseismatic structural

3、 system of cable 2stayed bridge was especially em phasized in the thesis ,which is a s ort of elastic restriction structural system com posed of towers and beams.S ome advice about the principle and range of the elastic constraint stiffness value were brought forward.Als o ,several structural method

4、s were carried out ,which could lead to the combinatorial elastic restriction systems.In the end ,based on an exam ple ,the selection of the aseismatic structural system of cable 2stayed bridge was elaborated.K ey w ords :cable 2stayed bridge ;aseismatic design ;performance com paris on ;elastic con

5、straint stiffness收稿日期:2002-01-25作者簡介:葉愛君(1970-,女,副教授,1998年畢業于同濟大學橋梁與隧道工程專業,獲博士學位。1概述斜拉橋由橋塔、橋面系、斜拉索、邊墩(錨固墩、輔助墩和支撐連接裝置組成(支座等。斜拉橋的大部分質量集中在橋面系,因而,地震慣性力也主要集中在橋面系。橋面系的地震慣性力通過斜拉索和支座傳遞給橋塔、邊墩,再由橋塔、邊墩傳遞給基礎,進而傳遞給地基承受。在工程界,斜拉橋的結構體系一般是根據梁、塔、索的結合方式來劃分的。梁、塔、索的結合方式不同,則橋面系的地震慣性力的傳遞方式不同,因此地震反應也將大不相同。從抗震設計的角度來看,雙塔三跨斜拉

6、橋的結構體系大致可分成四類:全漂浮體系或半漂浮體系:塔、梁分離,塔與梁之間設0號索或滑動鉸支承;塔、梁固結體系或塔、梁固定鉸支承體系;塔、梁不對稱約束體系:塔、梁分離,一個塔與梁之間采用固定鉸支承,另一個塔與梁之間采用滑動鉸支承;塔、梁彈性約束體系:塔、梁分離,塔與梁之間除設滑動鉸支承外,還增設縱向彈性約束裝置或構件。斜拉橋的整體抗震性能主要取決于所選用的結構體系。因此,對各種結構體系進行分析研究,從中選用抗震性能較好的結構體系,在斜拉橋的抗震設計中是非常關鍵的一步。2各種結構體系斜拉橋的抗震性能比較斜拉橋的整體抗震性能一般從兩個方面進行評價,即內力和位移1。在地震作用下,斜拉橋的內力和位移都

7、是越小越好。但這兩個方面往往是相互矛盾的。要使得內力反應小,往往要付出較大位移的代價,反之也一樣。如圖12所示,結構的周期越長,則加速度越小,因而內力也越小。不同的結構體系,梁、塔、索的結合方式不同,則體系的剛度也不同。體系的剛度越小,則周期越長,加速度越小,而位移卻越大。 圖1規范四類場地反應譜(長周期部分按1T 1.5衰減(1全漂浮體系或半漂浮體系全漂浮體系或半漂浮體系的塔、梁分離,全漂浮體系的塔與梁之間僅通過0號索支承,而半漂浮體系的塔與梁之間設滑動鉸支承。與其它體系相比,全漂浮體系或半漂浮體系的縱橋向剛度最小,周期最長,因此在地震作用下的位移反應最大,但塔柱的內力反應最小。當斜拉橋的跨

8、度不大時,橋梁的整體剛度相對較大,位移還不成問題,主要是內力控制設計,這時,采用全漂浮體系或半漂浮體系顯然是明智的選擇,特別是在烈度較高的地區。而隨著斜拉橋跨度的增大,位移的矛盾逐漸突出,全漂浮體系或半漂浮體系就越來越不適合了。對于跨度近1000m 的超大跨度斜拉橋,全漂浮體系或半漂浮體系將會導致相當大的位移,應避免采用。(2塔、梁固結體系或塔、梁固定鉸支承體系與全漂浮體系或半漂浮體系正好相反,塔、梁固結體系或塔、梁固定鉸支承體系的縱橋向剛度最大,周期最短,因此在地震作用下位移反應最小,但是所導致的塔柱內力反應最大。另一方面,對于大跨度的斜拉橋,由溫度引起的塔柱內力也相當大。因此,這兩種體系一

9、般不宜采用,尤其在烈度較高的地區要避免采用。(3塔、梁不對稱約束體系塔、梁不對稱約束體系中,一個塔與梁之間采用固定鉸支承,另一個塔與梁之間采用滑動鉸支承。這種體系的縱橋向剛度也較大,位移較小。問題主要是,兩塔與梁的不對稱約束造成慣性力傳遞的極不均勻,從而使兩塔的地震反應內力相差懸殊,甚至會有幾倍的差距。但是另一方面,斜拉橋的結構設計一般都是對稱的,即兩塔采用相同的結構設計。因此,不對稱約束體系不利于兩塔抗震能力的充分發揮,不是一種理想的抗震結構體系,在烈度較高的地區,應避免采用。(4塔、梁彈性約束體系塔、梁彈性約束體系是半漂浮體系和塔、梁固定鉸支承體系的一個折中方案,試圖在橋梁的位移和內力之間

10、進行協調。在地震作用下,通過選用適當的彈性約束剛度,塔、梁彈性約束體系能夠兼顧橋梁的強度和變形能力,應該說是一種比較理想的抗震結構體系。3塔、梁彈性約束體系研究由上述分析可知,對于大跨度的斜拉橋,塔、梁彈性約束體系是一種比較理想的抗震結構體系。實現這一體系的關鍵,在于如何選用合適的彈性約束剛度,以及如何在結構中實現彈性約束。3.1彈性約束剛度的確定在塔、梁彈性約束體系中,彈性約束剛度的取值對橋梁整體抗震性能有著直接的影響,因此很有必要進行深入研究。很顯然,隨著彈性約束剛度的增大,體系的整體剛度增大,周期減小,因此橋梁的位移減小。另一方面,橋面系的水平慣性力隨著彈性約束剛度的增大而增大,從而傳遞

11、到塔柱的慣性力也增大,因此塔底截面的剪力將增大。至于塔底截面的彎矩,還與慣性力的傳遞途徑及其力臂有關,因此變化規律比較復雜。如圖2所示,在地震作用下,橋面系的水平慣性力P 0通過斜拉索和塔梁彈性約束裝置傳遞到主塔,假定兩種路徑傳遞的慣性力分別為P 1和P 2,并定義=P 1P 0。則塔底彎矩可近似表達為:M =P 1h 1+P 2h 2=P 0h 1+(1-P 0h 2=P 0h 2+P 0(h 1-h 2(1式中,h 1為通過斜拉索傳遞的慣性力的力臂;h 2為通過塔梁彈性約束裝置傳遞的慣性力的力臂,且有h 1>h 2。隨著塔梁彈性約束剛度的增大,P 0逐漸增大,而逐漸減小。因此,由式(

12、1可知:M 不是單調遞圖2橋面系慣性力的傳遞示意增函數,而將會出現一個低谷。下面以福建閩江大橋和南京長江二橋南汊主橋(主要參數見表1為例進行分析。地震反應分析中所采用的反應譜見圖3,分別沿縱橋向(系數為1.0和豎向(系數為23同時輸入。表1兩座斜拉橋的主要參數參數閩江橋南京長江二橋跨徑組合m 40+250+605+250+4058.5+246.5+628+246.5+58.7塔型A倒Y 橋寬m2933.6主梁材料疊合梁鋼梁梁高m 2.5 3.5索面雙雙 漂浮體系基頻H z0.09470.0757圖3反應譜曲線在兩座斜拉橋的塔、梁連接處,不斷改變縱橋向約束剛度(1.0×10-10、1.

13、0×103、5.0×103、1.0×104、5.0×104、1.0×105、1.0×1010kNm,并進行了一系列地震反應分析。圖47分別顯示了兩座斜拉橋塔頂位移、梁端位移、塔底剪力和塔底彎矩隨彈性約束剛度的變化情況。從圖47中可以看出:(1隨著塔梁彈性約束剛度的增大,塔頂和梁端的位移很快減小。而且,塔頂和梁端的位移不論是變化規律還是數量都很接近。(2隨著塔梁彈性約束剛度的增大,塔底剪力圖4彈性約束剛度K對塔頂位移的影響圖5彈性約束剛度K對梁端位移的影響圖6彈性約束剛度K對塔底剪力的影響圖7彈性約束剛度K對塔底彎矩的影響不斷增大,然而

14、在一定范圍內變化不大。(3隨著塔梁彈性約束剛度的增大,塔底彎矩總體上不斷增大,但有一個小低谷出現。從圖47還可以看出,在一定的剛度范圍內(如圖例中為1.0×1031.0×105kNm,塔柱的內力反應變化不大,而塔頂和梁端的位移反應卻變化相當大。因此,在實際工程中,可主要從位移要求出 發來決定是偏大還是偏小進行取值。一般來說,對于大跨度的斜拉橋,彈性約束剛度可取1.0×105kNm作為參考值。3.2實現彈性約束的構造措施實施塔、梁彈性約束可以采用多種構造措施,其中比較簡單的為斜索構造和橡膠裝置。我國石橋是一座主跨518m的混合式斜拉橋,為了實現塔、梁彈性約束,在主塔

15、的兩側各設置了1根長54m,由55股7<5高強鋼絲組成的鋼絞線,一端固定在主塔下橫梁上,另一端固定在主梁上。而世界上跨度最大的斜拉橋,主跨890m的日本多多羅橋,則采用剪切型橡膠裝置來實現塔、梁彈性約束1。另外,大尺寸鉛芯支座和液壓緩沖設備也是非常值得考慮的方案。鉛芯支座具有較好的減震效果,而且在正常使用條件下,由溫度、收縮、徐變等變形引起的抗力很小3。液壓緩沖設備也可以做到同樣的效果,如丹麥大海帶(the G reat Belt East大橋上就安裝了這種緩沖器。4斜拉橋抗震結構體系比選實例某一橋梁設計方案為主跨1088m的雙塔雙索面鋼斜拉橋,跨徑布置為(100+100+278+108

16、8+ 278+100+100m。索塔為鋼筋混凝土塔,塔高為280m。主梁高4m,寬37m,采用封閉扁平流線型鋼箱梁。在進行方案設計時,考慮了4種結構體系,即塔、梁不對稱約束體系(左塔處設固定鉸支座,右塔處設滑動鉸支座,半漂浮體系,塔、梁固定鉸支承體系,塔、梁彈性約束體系(彈性約束剛度取1.0×105 kNm。采用圖1所示的反應譜分別沿縱橋向和豎向同時輸入(水平地震加速度峰值取為0.17g,豎向取為水平向的23倍,對4種結構體系進行了地震反應分析。反應結果比較分別見表2和表3,表中各體系的反應均以半漂浮體系的倍數來表示。表2和表3的數據表明,半漂浮體系的內力較小,但位移相當大;固定鉸支

17、承體系和不對稱約束體系的位移都較小,但從受力上看相當不利,特別是不對稱約束體系;總體上看,彈性約束體系是最為理想的。這一結果和前述的觀點是一致的。根據分析比較,該斜拉橋方案最終選擇了塔、梁彈性約束體系。表24種結構體系的內力反應比較結構體系左塔底右塔底軸力剪力彎矩軸力剪力彎矩半漂浮 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00固定鉸支承 1.13 1.78 1.05 1.13 1.78 1.05不對稱約束 1.04 2.77 1.57 1.03 1.040.68彈性約束 1.02 1.390.85 1.02 1.390.85注:半漂浮體系的塔底軸力為4.036×104k

18、N,剪力為1.419×104kN,彎矩為1.490×106kNm。表34種結構體系的位移反應比較結構體系梁端位移塔頂位移左右左右半漂浮 1.00 1.00 1.00 1.00固定鉸支承0.050.050.090.09不對稱約束0.060.100.110.14彈性約束0.170.170.230.23注:半漂浮體系的梁端位移為1.92m,塔頂位移為2.06m。5結論通過以上分析,可以得到如下結論:(1塔、梁不對稱約束體系不利于兩塔抗震能力的充分發揮,一般應避免采用。(2塔、梁固結體系或塔、梁固定鉸支承體系將會導致較大的內力,一般不宜采用。(3當斜拉橋的跨度不是很大時,主要由內力控制設計,全漂浮體系或半漂浮體系比較適合;但當跨度很大時,如近1000m跨度的超大跨度斜拉橋,則該類體系就不宜采用。(4對于大跨度斜拉橋,塔、梁彈性約束體系能夠兼顧橋