多塔斜拉桥抗震性能的研究综述

多塔斜拉桥抗震性能的研究综述

邹航

重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074

摘要：多塔斜拉桥是在常规斜拉桥的基础上发展起来的新型桥梁，因为其优美的外观、超强的跨越能力、经济合理的造价而被世界各地广泛采用，尤其在跨江跨海桥梁工程建设中应用较多。多塔斜拉桥的显著特点就是除了边塔以外的中间塔由于没有端锚索的固定，中塔容易发生比较大的水平位移，而不同的结构体系会直接影响荷载的传递路径，改变多塔斜拉桥结构的力学行为，进而影响桥梁的整体刚度。可以通过增大主要构件刚度、设置辅助墩、设置塔间加劲索等各种措施来有效提高多塔斜拉桥体系的刚度。

关键词：多塔斜拉桥；结构体系；抗震性能；阻尼；刚度

A review on seismic performance of multi-tower cable-stayed Bridges

Zou Hang

Abstract: Multi-tower cable-stayed bridge is a new type of bridge developed on the basis of conventional cable-stayed bridge, especially, it is widely used in the construction of bridge across river and sea. The remarkable characteristic of multi-tower cable-stayed bridge is that the middle tower, except for the side tower, is prone to large horizontal displacement because of the lack of fixed end anchor cable, and different structural systems will directly affect the load transfer path, the structural mechanical behavior of multi-tower cable-stayed bridge is changed, which affects the overall stiffness of the bridge. The stiffness of multi-tower cable-stayed bridge system can be effectively increased by increasing the stiffness of main members, setting auxiliary piers, and setting stiffening cables between towers.

Key words: multi-tower cable-stayed bridge; structural system; seismic performance; damping; stiffness

0 引言

随着不断的发展，斜拉桥主跨径变得愈来愈大大，主梁的承载能力和斜拉索的超长，使斜拉桥的最大跨径得到极大的制约，双塔斜拉桥在追求大跨径时，会使其经济效益下降，因此，三塔以上的斜拉桥即多塔斜拉桥便应运而生。多塔斜拉桥由于桥塔数目的增加，其承载能力也相应增加；由于桥塔数目的增加，其受力变得更为复杂，与斜拉桥的结构形式存在较大差别。在多塔斜拉桥的设计中，如何确保其整体刚度是一个非常关键的问题。提高多塔斜拉桥的结构刚度、保证其在地震作用下的安全性能，有效地控制多塔斜拉桥，是目前国内外桥梁工作者所面临的一个重要课题。

1 多塔斜拉桥抗震性能研究

1.1多塔斜拉桥中存在的主要问题

多塔斜拉桥的一个突出特征是，多塔斜拉桥除侧塔外，其余中部塔塔顶部无端锚，很容易产生较大的横向位移，从而对整体的整体变形产生不利影响。从世界上第一座多塔斜拉桥马拉开波桥建成至今，仅有五十多年，该方案的设计思想是：采用人形结构和倒置 V型刚体， X型框架和吊梁悬挑梁固结，每个塔体的每个索面只有一对斜拉索，构成了一个对称、稳定的独立双悬臂单元。这就是著名的Morandi体系。

1.2国外斜拉桥抗震性能研究概况

1980年， Fleming和 Eqeseli将线性和非线性结合起来，对斜拉桥的地震响应进行了分析，这对斜拉桥的抗震性能有很大的帮助，其计算结果与实际情况基本吻合。1988年萨古内伊大地震造成加拿大希普肖斜拉桥支架上的钢板断裂，加拿大学者费利亚特劳尔特等学者通过静、动力分析得出，萨古内伊地震对斜拉桥基板的焊接部位本来就存在的过多应力集中现象更为严重，甚至出现了断裂。

1.3 国内斜拉桥抗震性能研究概况

1983年，项海帆在天津永和斜拉桥结构抗震设计中，对行波进行了研究。研究发现，相位差效应可以有效地降低斜拉桥的顶点位移。针对多塔斜拉桥的结构系统对其抗震性能的影响，耿方方等以嘉绍塔斜拉桥为例，对其在地震反应和动力特性的影响进行了详尽的分析。研究结果显示，采用刚性铰链的布置不仅不会对多塔斜拉桥的整体抗震能力产生任何影响，而且对斜拉桥的温度效应起到了很好的作用。

2 多塔斜拉桥减震措施

有别于传统的减震设计，消能减震技术是在桥梁上加装一种耗能装置，以减少地震时的地震能，减少桥梁的地震反应。多塔斜拉桥采用消能减振技术可以明显减少结构的地震响应，但考虑到多塔斜拉桥的阻尼和结构体系存在差异，因此，主要研究的问题是如何选用合理的、高效的塔梁间阻尼控制系统。

3 多塔斜拉桥刚度提高措施

3.1 增大多塔斜拉桥主要构件的刚度

增加斜拉桥主梁刚度是改善多塔斜拉桥刚度最直接和最有效的方法。能有效地改善桥塔的刚度，有效地控制塔顶的变形；合理地选取主梁的形式，降低主梁的徐变作用；通过增加斜拉索的刚度，可以增加总体的刚度。

3.1.1 增大桥塔刚度

多塔斜拉桥的塔顶变形对其整体刚度有很大的影响，对其纵向横向位移进行控制可以有效地减少塔中的弯压作用，减少主梁的变形和活荷载作用。所以增加多塔斜拉桥的刚度是提高斜拉桥刚度的重要手段。

3.1.2 增大主梁和斜拉索刚度

在斜拉桥中，主梁、斜拉索是两种主要支撑构件，对整个结构的刚度起到了很好的保障作用。因此，为了提高斜拉桥的整体刚度，必须提高其主梁和斜拉索的刚度。目前国内外多塔斜拉桥大多采用钢筋混凝土和钢混组合梁，二者在提高结构刚度的同时，也更具经济性。

3.2 设置边跨辅助墩

斜拉桥的辅助墩在合适的地方可以提高结构的整体刚度，在多塔斜拉桥的横向跨布置辅助墩时，梁、塔的受力明显降低，塔顶水平位移、塔根弯矩、跨中弯矩等均发生了明显的变化。

4 展望

目前，国内外关于多塔斜拉桥的研究大都集中在三塔和四塔上，而且大都集中在一个特定的跨度上，对于跨径的改变是否会影响到整个结构系统，尚无具体的探讨。对于多塔斜拉桥在各种活荷载作用下的结构系统，并未作比较。斜拉桥抗震技术还不够完善，存在着一些亟待解决的问题：

(1)目前斜拉桥结构系统的地震响应分析仍处于整体分析阶段，局部构件的减震设计尚需进一步完善。

(2)地震波主要是沿着顺桥方向加载，在水平激励作用下，需要进一步研究。

(3)地震波在空间上的影响，必须考虑多点的地震波行波作用。

参考文献(References)：

[1]喻梅.多塔斜拉桥结构特性分析[D].成都：西南交通大学，2003.

[2]葛文浩.多塔缆索承重桥梁纵向结构体系的减震控制方法研究[D].南京：东南大学，2015.

[3]刘金龙.地震作用下多塔斜拉桥失效模式控制研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.