張德明

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

1 工程概況

銀川濱河黃河大橋位于銀川市興慶區(qū)河灘新村南側(cè)，西接北京路延伸工程，進(jìn)而連接銀川中心城區(qū)路網(wǎng)；東接濱河新區(qū)緯四路，有效融入新區(qū)主干路網(wǎng)。道路等級(jí)為雙向6車道一級(jí)公路兼雙向8車道城市快速路。

主橋橋型采用三塔組合梁自錨式懸索橋，跨徑布置為（88+218+218+88）m=612 m，邊中跨比為1/2.5（見圖1）。采用雙主纜，平行索面，中跨矢跨比為1/5，邊跨垂跨比為1：12.9。組合梁全寬41.5 m，梁高3.854 5 m，鋼梁采用縱橫梁體系。吊索標(biāo)準(zhǔn)間距8.0 m。橋塔采用H型結(jié)構(gòu)，塔柱為鋼筋混凝土構(gòu)件，橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，矩形承臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，中、邊塔采用相同的結(jié)構(gòu)形式及構(gòu)造尺寸。邊墩頂設(shè)有裝飾塔，裝飾塔內(nèi)、錨固區(qū)范圍內(nèi)端橫梁和主縱梁澆筑壓重混凝土。

圖1 總體布置圖（單位：cm）

橋址地震基本烈度為Ⅷ度，橋梁抗震設(shè)防類別為A類，采用475 a地震重現(xiàn)期（E1地震作用）和2 475 a地震重現(xiàn)期（E2地震作用）兩水平進(jìn)行抗震設(shè)防。地震動(dòng)加速度峰值分別為0.26 g和0.49 g。

2 三塔自錨式懸索橋特性

對于三塔懸索橋結(jié)構(gòu)體系的選取，需重點(diǎn)關(guān)注全橋結(jié)構(gòu)剛度、中塔頂鞍纜抗滑移安全系數(shù)及主塔強(qiáng)度。

自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)剛度依靠纜、梁組合體系，加勁梁截面尺寸一般較大。與三塔地錨式懸索橋相比，三塔自錨式懸索橋主梁承受的活載比重較大，且跨徑相對較小，由活載產(chǎn)生的主纜不平衡水平力相對較小。另外，該工程加勁梁采用組合梁結(jié)構(gòu)，相比鋼梁更重，主纜拉力中恒載所占比例較大，即主纜內(nèi)力恒活比大于鋼梁懸索橋的恒活比，這對于鞍槽內(nèi)主纜抗滑移是有利的。經(jīng)計(jì)算分析，該工程跨徑范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)整體剛度及中邊塔塔頂鞍纜抗滑移安全系數(shù)對結(jié)構(gòu)體系不敏感，均滿足要求。

因此，對該工程三塔自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)體系的研究主要關(guān)注主塔、邊墩的受力情況。

3 縱橫向比選結(jié)構(gòu)體系

自錨式懸索橋加勁梁為壓彎構(gòu)件，從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性考慮，豎向一般設(shè)置支座，該工程各塔墩處均設(shè)置豎向球鋼支座。

3.1 縱向結(jié)構(gòu)體系

三塔自錨式懸索橋主纜對邊塔的約束效應(yīng)不如地錨式，邊塔與梁的縱向連接形式對溫度作用下邊塔的受力影響較大；中塔與梁之間的縱向約束體系對結(jié)構(gòu)靜力響應(yīng)影響不敏感，相比地錨式，應(yīng)更多地關(guān)注地震工況下的連接形式。縱向主要考慮如下幾種體系：

（1）漂?。杭觿帕涸诟魉仗幙v向漂浮。

（2）塔梁固定約束：加勁梁在中邊塔支座縱向均固定或僅中塔支座縱向固定。

（3）彈性索約束：加勁梁在中邊塔縱向均設(shè)置彈性索或僅中塔處設(shè)置彈性索。

（4）阻尼體系：加勁梁在中塔處設(shè)置粘滯阻尼器。

前三種約束形式可歸結(jié)為彈性索體系，即漂浮時(shí)彈性剛度為0，固定約束時(shí)彈性剛度無窮大。

3.2 橫向結(jié)構(gòu)體系

懸索橋橫向一般采用側(cè)向抗風(fēng)支座，該工程橋址處于高烈度區(qū)，需對結(jié)構(gòu)橫向合理抗震體系進(jìn)行比選?？紤]如下兩種體系：

（1）固定約束：加勁梁橋塔處設(shè)置側(cè)向抗風(fēng)支座、邊墩處設(shè)置橫向固定支座。

（2）阻尼體系：加勁梁橫向各塔墩處設(shè)置金屬彈塑性阻尼器。

4 計(jì)算結(jié)果對比

中邊塔設(shè)計(jì)采用相同的結(jié)構(gòu)尺寸，為使中、邊塔受力安全并盡量使控制工況內(nèi)力相當(dāng)，對上述結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析。

采用Midas Civil建立結(jié)構(gòu)空間有限元模型，考慮幾何非線性的影響。主纜和吊桿采用索單元模擬，加勁梁、橫梁、主塔、橋墩和樁基采用梁單元模擬。主纜與橋塔頂端、主纜錨固點(diǎn)與主梁末端采用主從約束，加勁梁在橋塔、過渡墩處限制豎向位移，塔底、過渡墩底固結(jié)。計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 空間桿系計(jì)算模型

4.1 縱向結(jié)構(gòu)體系比選

4.1.1 彈性索體系

4.1.1.1 加勁梁中、邊塔處均設(shè)置彈性約束

對于三塔自錨式懸索橋，靜力工況下，邊塔由于受溫度荷載的作用，相比中塔更為不利，且該工程主梁為組合梁，尚有收縮徐變的影響。

考慮溫度荷載、地震作用，對縱向漂浮、塔梁固定約束及彈性索約束（中、邊塔彈性剛度均為8 MN/m）進(jìn)行分析，各塔底內(nèi)力見表1所列。

表1 中、邊塔處均設(shè)置彈性約束塔底內(nèi)力一覽表

從表1可以看出：塔梁縱向固定約束會(huì)顯著提高塔底剪力；邊塔設(shè)置彈性索會(huì)增大塔底溫度力，故邊塔處不適合設(shè)置縱向約束。

4.1.1.2 加勁梁中塔處設(shè)置彈性約束

考慮僅中塔設(shè)置彈性索（彈性剛度取8 MN/m、20 MN/m）或固定約束，邊塔縱向自由的約束體系，分析結(jié)果見表2所列。

表2 中塔處設(shè)置彈性約束塔底內(nèi)力一覽表

從表2可以看出：僅中塔加彈性約束時(shí)，彈性剛度從0（漂?。? MN/m→20 MN/m→固定約束，中塔地震力隨剛度加大而增大，邊塔地震內(nèi)力則相反。可見彈性索約束可以改變慣性力傳遞途徑，但彈性索不是耗能裝置，不能減小慣性力。中塔加勁梁約束形式對邊塔溫度荷載影響很小。

4.1.2 阻尼體系

該工程橋址處于地震高烈度區(qū)，上述計(jì)算分析表明，縱向采用漂浮體系、塔梁固定約束體系、彈性索體系均不能有效地降低主塔地震力，地震工況控制主塔設(shè)計(jì)。為了降低主塔地震響應(yīng)，結(jié)構(gòu)縱向考慮設(shè)置粘滯阻尼器。

因縱向漂浮體系中，地震工況下邊塔響應(yīng)大于中塔，靜力組合工況下（活載、溫度荷載、收縮徐變等）邊塔內(nèi)力也大于中塔，因此，為兼顧中、邊塔靜動(dòng)力響應(yīng)，結(jié)構(gòu)體系應(yīng)在不影響靜力受力的情況下，有效地降低邊塔的地震響應(yīng)。

考慮到結(jié)構(gòu)受力特性、粘滯阻尼器耐久性，只在結(jié)構(gòu)對稱位置即中塔與主梁連接處設(shè)置四個(gè)縱向粘滯阻尼器，阻尼器的阻尼系數(shù)C取2 500，速度指數(shù)α取0.3。結(jié)構(gòu)阻尼體系地震響應(yīng)見表3所列（同時(shí)列出漂浮體系的結(jié)構(gòu)響應(yīng)）。

表3 中塔處設(shè)置粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)響應(yīng)一覽表

從表3可以看出：采用阻尼體系可以顯著減小邊塔地震彎矩及梁端位移。

縱向采用阻尼體系后，該工程中塔由地震工況控制設(shè)計(jì)，邊塔地震內(nèi)力相比中塔小，主要由靜力組合工況控制設(shè)計(jì)。中、邊塔設(shè)計(jì)采用相同的結(jié)構(gòu)形式及構(gòu)造尺寸，控制工況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算安全系數(shù)相當(dāng)。

4.2 橫向結(jié)構(gòu)體系

4.2.1 固定約束體系

自錨式懸索橋橫橋向由地震工況控制設(shè)計(jì)，塔梁、墩梁間一般采用固定約束體系。采用此體系結(jié)構(gòu)橫向地震反應(yīng)見表4所列。

表4 橫向固定約束體系結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)一覽表

計(jì)算表明，墩、梁橫向固定體系會(huì)使邊墩及其基礎(chǔ)承受很大的地震力，對橫向固定支座或擋塊的抗剪能力提出了很高的要求。對于下塔柱較矮的自錨式懸索橋，過渡墩及其基礎(chǔ)的抗震問題更加突出。另外，對于三塔四跨自錨式懸索橋，在地震作用下，中塔比邊塔承受更多的梁體慣性力，中塔底彎矩是邊塔底彎矩的1.5倍左右。中塔的抗震問題也很突出。因此，必須進(jìn)行塔墩梁間的合理橫向約束體系研究。

4.2.2 阻尼體系

為了減小中塔、邊墩及其基礎(chǔ)的地震反應(yīng)，可以考慮的一種簡單方案是全橋橫向放開，設(shè)置橫向彈塑性阻尼器。在地震作用下通過彈塑性滯回耗能減小地震響應(yīng)。該工程考慮橫向設(shè)置新型金屬阻尼器。

新型橋梁金屬阻尼器采用三角形鋼板為基本構(gòu)件，在面外水平地震作用下沿高度范圍內(nèi)全截面屈服耗能，因此，這種金屬阻尼器的滯回耗能能力和位移能力比較大。同時(shí)，新型橋梁金屬阻尼器采用半球形傳力鍵作為傳力點(diǎn)，能夠適應(yīng)主梁復(fù)雜的變形，保證金屬阻尼器在地震作用下傳力路徑明確。其構(gòu)造如圖3所示。彈塑性阻尼器的力學(xué)恢復(fù)力模型可以采用雙線性模型。

圖3 新型金屬阻尼器構(gòu)造示意圖

在邊墩、各橋塔橫向加勁梁各設(shè)置兩個(gè)屈服力為750 kN的金屬阻尼器，全橋共計(jì)10個(gè)，結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)見表5所列。

表5 橫向阻尼體系結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)一覽表

計(jì)算表明，橫向設(shè)置滑動(dòng)支座加金屬阻尼器的組合裝置，可大幅減小中塔、邊墩及其基礎(chǔ)的地震內(nèi)力，將墩、梁相對位移控制在合理范圍內(nèi)。

阻尼器的屈服力需要根據(jù)橋梁的具體抗震要求優(yōu)化確定。為了保證橋梁的正常使用功能，滑動(dòng)支座必須有特殊的限位構(gòu)造（如具有明確薄弱面的抗剪螺栓等）限制運(yùn)營時(shí)的橫向位移，而當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生且橫向力超過給定值時(shí)，限位構(gòu)造被剪斷，支座的橫向限位約束被解除，變成正常的滑動(dòng)支座。為了保證金屬阻尼器的減震效果，支座限位構(gòu)造的強(qiáng)度應(yīng)小于金屬阻尼器的屈服力。

該工程橫向采用新型金屬阻尼器替代傳統(tǒng)的抗風(fēng)支座，很好地解決了高烈度區(qū)大跨度橋梁橫向抗震問題，首次對大跨度纜索承重橋梁橫橋向塔、墩、梁的合理抗震連接方式進(jìn)行創(chuàng)新應(yīng)用（見圖 4）。

圖4 新型金屬阻尼器之實(shí)景

5 結(jié)語

該工程橋址地震烈度為Ⅷ度，地震工況控制結(jié)構(gòu)塔柱及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)?？v向彈性索體系不能解決控制工況結(jié)構(gòu)響應(yīng)問題；橫向設(shè)置抗風(fēng)支座的常規(guī)體系結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)過大。考慮縱橫向均設(shè)置阻尼器，通過阻尼體系的耗能、限位作用減小地震響應(yīng)。綜合比選，該工程采用的抗震結(jié)構(gòu)體系為：

（1）縱橋向約束體系為：支座縱向活動(dòng)，在中塔設(shè)置粘滯阻尼器耗能，以控制主梁位移和減小主塔底彎矩。

（2）橫橋向約束體系為：支座橫向活動(dòng)，在各塔墩橫向設(shè)置金屬彈塑性阻尼器耗能，以控制主梁橫向位移和塔墩底彎矩。橫向金屬阻尼器構(gòu)造簡單，傳力機(jī)制明確可靠，而且能很好地適應(yīng)縱向變形，應(yīng)用于自錨式懸索橋取得了很好的橫向減震效果。

（3）豎向設(shè)置球鋼支座，一側(cè)球鋼支座橫向設(shè)置給定剪斷力的剪切銷，在地震下剪斷后變成普通滑動(dòng)支座提供滯回耗能，而剪切銷的剪斷力由靜力作用下的需求確定，金屬彈塑性阻尼器的屈服力不應(yīng)小于支座的剪斷力。

銀川濱河黃河大橋于2013年10月開工建設(shè)，2016年4月28日正式通車。