斜拉桥抗震结构体系研究

斜拉桥抗震结构体系研究

1、概述

斜拉桥由桥塔、桥面系、斜拉索、边墩(锚固墩、辅助墩) 和支撑连接装置组成(支座等)。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、各种结构体系斜拉桥的抗震性能比较

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。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) 全漂浮体系或半漂浮体系

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) 塔、梁固结体系或塔、梁固定铰支承体系

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) 塔、梁不对称约束体系

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) 塔、梁弹性约束体系

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。