中央索面高墩部分斜拉橋減隔震措施比較

李 淵 詹 璐 陶辰亮

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司 武漢 430051)

部分斜拉橋是介于連續(xù)梁(剛構(gòu))和斜拉橋之間的一種新型橋型，其受力特點(diǎn)與這2種橋型既有聯(lián)系，又有區(qū)別[1]。該橋型具有受力性能好、施工方便、外形美觀(guān)、性?xún)r(jià)比合理等特點(diǎn)，在山區(qū)橋梁方案比選中具備一定的優(yōu)勢(shì)。隨著山區(qū)橋梁向高墩、大跨方向發(fā)展，部分斜拉橋的抗震性能需要進(jìn)一步研究，在高烈度區(qū)采用必要的減隔震措施極有必要。

減隔震技術(shù)是指通過(guò)采用減隔震裝置來(lái)盡可能地將結(jié)構(gòu)或部件與可能引起破壞的地震地面運(yùn)動(dòng)或支座運(yùn)動(dòng)分離開(kāi)來(lái)，減少傳遞到上部的地震力和能量[2]。其原理為隔離上下部結(jié)構(gòu)地震作用，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)基本周期，增加阻尼、滯回耗能，分散水平力[3]。其措施分為減震措施和隔震措施。減震措施是指用各種阻尼器與結(jié)構(gòu)組成耗能、吸能的體系，利用自身的減震吸能作用，較理想地減小地震破壞，對(duì)于突發(fā)強(qiáng)震也有很好的預(yù)防作用和承受能力，常見(jiàn)包含液壓黏滯阻尼器、摩擦阻尼器等，多應(yīng)用于大跨徑橋梁；隔震措施是通過(guò)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)自振周期，同時(shí)限制位移，避開(kāi)地震動(dòng)的卓越周期，避免共振的發(fā)生，從而減小地震作用，常見(jiàn)的有鉛芯橡膠支座和高阻尼橡膠支座等，應(yīng)用在高烈度區(qū)大中小橋梁上[4]。

本文以某中央索面高墩部分斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，建立三維有限元?jiǎng)恿Ψ治瞿Ｐ停诙喾N減隔震措施，采用非線(xiàn)性時(shí)程分析方法對(duì)該橋進(jìn)行地震反應(yīng)分析，并對(duì)比各措施的減隔震效果。

1 工程概況及動(dòng)力分析模型

1.1 工程概況

某擬建橋梁結(jié)構(gòu)形式采用雙塔中央索面預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋，跨徑布置為123 m+230 m+123 m。主梁寬29 m，采用單箱三室截面，梁高由墩頂處的3.2 m以二次拋物線(xiàn)的方式變高到跨中處的2.5 m。塔、墩、梁固結(jié)，其中1號(hào)塔墩高114.4 m，2號(hào)塔墩高72.4 m，橋面以上塔高均為30 m。拉索橫橋向?yàn)橹醒雴嗡髅?，順橋向扇形布置，橋型布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 橋型布置圖(單位：cm)

橋址位于高烈度地震區(qū)，設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度為0.2g，特征周期為0.4 s。鑒于地震烈度較高，橋墩也較高，因此有必要采取適當(dāng)?shù)臏p隔震措施。

1.2 動(dòng)力分析模型

采用midas Civil有限元程序建立空間全橋動(dòng)力分析模型。全橋共劃分為326個(gè)單元，其中橋塔、塔墩、主梁采用三維梁?jiǎn)卧M；塔墩和主梁間采用剛性連接模擬固結(jié)效應(yīng)；由于拉索較短，因此忽略其非線(xiàn)性效應(yīng)，采用只受拉桁架單元模擬；二期恒載用節(jié)點(diǎn)質(zhì)量模擬；橋塔承臺(tái)底約束考慮群樁出口剛度；在塔墩頂、底位置設(shè)置塑性鉸單元，并用鋼筋混凝土纖維梁?jiǎn)卧M；盆式支座采用彈性連接模擬，鉛芯隔震橡膠支座采用midas Civil的鉛芯橡膠支座隔震裝置模擬，黏滯阻尼器采用黏彈性消能器模擬。全橋動(dòng)力分析模型圖見(jiàn)圖2。

圖2 全橋動(dòng)力分析模型圖

由于該橋橋墩高、主梁自重大，如果采用連續(xù)梁體系，在墩頂處需設(shè)置大噸位減隔震支座，造價(jià)高昂，震后修復(fù)成本高，且高墩在強(qiáng)震作用下更容易發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷[5]，同時(shí)高墩的大變形亦會(huì)抑制支座的隔震能力[6]，因此僅考慮在橋臺(tái)處采取適當(dāng)減隔震措施。橋臺(tái)處分別采用方案一(僅用普通盆式支座)、方案二(鉛芯橡膠支座)、方案三(普通盆式支座+順橋向黏滯阻尼器)、方案四(鉛芯橡膠支座+順橋向黏滯阻尼器)和方案五(鉛鋅橡膠支座+雙向黏滯阻尼器)5種方案對(duì)比分析，其中普通盆式支座為順橋向活動(dòng)、橫橋向約束。

5種方案下，主橋的動(dòng)力特性見(jiàn)表1。

表1 主橋動(dòng)力特性表

由表1可知，普通盆式支座約束梁端橫向位移之后，橋梁順橋向剛度相對(duì)橫向剛度小，因此方案一、三最先出現(xiàn)縱飄的振型。采用鉛鋅橡膠支座后，由于梁端支座的橫橋向約束較盆式支座小，順橋向約束較盆式支座大，而1號(hào)橋塔高度較大，因此方案二、四、五最先出現(xiàn)1號(hào)橋塔側(cè)彎的振型。同時(shí)，對(duì)比方案一、三，以及對(duì)比方案二、四、五，可以看出采用黏滯阻尼器前后，全橋動(dòng)力特性未發(fā)生變化。

2 地震響應(yīng)分析

動(dòng)態(tài)時(shí)程是隨著超級(jí)工程的建設(shè)、高性能計(jì)算機(jī)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的，被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的精細(xì)化分析方法[7]。時(shí)程分析方法全面地反映了結(jié)構(gòu)在地震動(dòng)下的力學(xué)行為，可以直接考慮結(jié)構(gòu)的彈塑性特性，從而直接找到結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，達(dá)到規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的目的[8]。因此考慮E2地震，對(duì)全橋做非線(xiàn)性時(shí)程分析，對(duì)比不同減隔震措施的效果，時(shí)程加速度函數(shù)圖見(jiàn)圖3。

圖3 E2地震時(shí)程加速度函數(shù)圖

2.1 反力比較

不同方案下，橋臺(tái)和墩底順橋向反力圖見(jiàn)圖4。

圖4 順橋向反力圖

由圖4可見(jiàn)，橋臺(tái)采用盆式支座的方案一，橋墩底部承受了最大的順橋向剪力。方案二采用了鉛芯橡膠支座產(chǎn)生一定的隔震效果，橋臺(tái)、橋墩底部順橋向剪力大小居中，其中墩底剪力約為方案一的90%。采用了順橋向黏滯阻尼器的方案三、四、五，橋墩底部順橋向剪力基本一致，為5個(gè)方案中最小的3個(gè)，大小約為方案一的60%；但這3個(gè)方案中，橋臺(tái)所受剪力卻是最大的，方案三僅有阻尼器傳遞剪力，其值約為方案二的1.7倍，方案四、五中阻尼器和鉛芯橡膠支座同時(shí)傳遞剪力，因此數(shù)值也較大，約為方案二的2.5倍。故黏滯阻尼器可以更加有效地分配地震荷載輸入到橋梁順橋向的能量，從橋塔所受順橋向剪力大小的角度看，順橋向黏滯阻尼器的效果較好。

橋臺(tái)和墩底橫橋向反力圖見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn)，5種方案下，墩底橫橋向剪力差距較小。橫橋向采用盆式支座約束的方案一、三，橋臺(tái)的橫橋向剪力最大。采用鉛芯橡膠支座的方案二、四，橋臺(tái)橫橋向剪力最小，大小約為方案一、三的19%～25%。同時(shí)采用鉛芯橡膠支座和橫向黏滯阻尼器的方案五，橋臺(tái)橫橋向剪力居中，大小約為方案一、二的39%～43%。橋臺(tái)橫橋向無(wú)論采用何種約束，對(duì)橋墩底部的橫向受力影響不大，因此單從橋臺(tái)受力上考慮，橫橋向采用鉛芯橡膠支座更有利。

圖5 橫橋向反力圖

2.2 位移比較

各方案下，橋臺(tái)處主梁和橋塔塔頂順橋向位移圖見(jiàn)圖6。

圖6 順橋向位移圖

由圖6可見(jiàn)，方案一橋臺(tái)處主梁和塔頂位移最大；方案二位移居中，位移大小約為方案一的90%；方案三、四、五塔頂位移接近，為最小的3個(gè)，位移大小為方案一的60%左右。由此可見(jiàn)，順橋向黏滯阻尼器能顯著改善主梁梁端和塔頂順橋向位移，同時(shí)，對(duì)比方案四、五可知，橋臺(tái)處主梁橫向約束情況對(duì)主梁梁端和塔頂?shù)捻槝蛳蛭灰茙缀鯖](méi)有影響。

橋臺(tái)處主梁和橋塔塔頂橫橋向位移圖見(jiàn)圖7。由圖7可知，5種方案下，塔頂橫橋向位移相對(duì)比較接近：方案三與方案一基本一致，順橋向阻尼器不影響塔頂橫橋向位移；方案二、四塔頂位移約為方案一的90%左右，鉛芯橡膠支座的橫向約束對(duì)塔頂橫橋向位移略有影響，但影響較小；方案五1號(hào)、2號(hào)塔頂位移分別為方案一的97%、88%，同時(shí)采用鉛芯橡膠支座和橫橋向阻尼器對(duì)塔頂位移影響情況稍顯復(fù)雜，但至少不會(huì)增加塔頂橫向位移。橋臺(tái)處主梁橫向位移以方案一、三為最??；方案二、四最大，0號(hào)臺(tái)、3號(hào)臺(tái)處梁端橫向位移分別為方案一的110，70倍，鉛芯橡膠支座橫向約束剛度較小，無(wú)法有效約束梁端橫向位移；方案五最小，0號(hào)臺(tái)、3號(hào)臺(tái)處梁端橫向位移分別為方案一的52，23倍，橫橋向黏滯阻尼器在約束梁端橫向位移方面表現(xiàn)較好。綜合上述分析，可見(jiàn)橋臺(tái)處主梁橫向約束僅對(duì)主梁梁端橫向位移有較大影響，對(duì)橋塔位移影響相對(duì)較??；另外，橫橋向黏滯阻尼器在約束梁端橫向位移方面優(yōu)于鉛芯橡膠支座。

圖7 橫橋向位移圖

綜合橋臺(tái)、塔墩底部的順橋向、橫橋向受力，以及塔頂順橋向、橫橋向位移分析，可以看出對(duì)于采用中央索面的部分斜拉橋而言，橋臺(tái)采用鉛芯橡膠支座+順橋向黏滯阻尼器的方案四，對(duì)橋臺(tái)、橋塔受力及順橋向位移的控制更有利。橋梁減隔震設(shè)計(jì)的核心就是在地震力與地震位移之間尋求平衡[9]，如需進(jìn)一步減小橋臺(tái)處主梁的橫向位移，則可在部分增加橋臺(tái)橫向受力的前提下，在橋臺(tái)處增設(shè)橫橋向黏滯阻尼器。

3 結(jié)論

1) 對(duì)于采用中央索面的高墩部分斜拉橋，在橋臺(tái)處設(shè)置順橋向黏滯阻尼器可顯著減小橋塔所受順橋向剪力。

2) 橋臺(tái)處主梁橫向約束情況對(duì)橋塔橫向受力影響較小，但設(shè)置鉛芯橡膠支座能有效減小橋臺(tái)所受橫向剪力。

3) 順橋向黏滯阻尼器能明顯減小主梁和橋塔順橋向位移，橋臺(tái)處主梁橫向約束情況對(duì)順橋向位移影響較小。

4) 橋臺(tái)處主梁橫向約束情況僅影響橋臺(tái)處主梁橫向位移，對(duì)橋塔橫向位移影響較小。

5) 對(duì)橋臺(tái)及橋塔而言，無(wú)論是順橋向受力還是橫橋向受力，在橋臺(tái)處采用鉛芯橡膠支座+順橋向黏滯阻尼器的方案都有優(yōu)勢(shì)，且主梁順橋向位移也可得到有效約束，但如果在此基礎(chǔ)上，于橋臺(tái)處增加橫向黏滯阻尼器，則可在增加橋臺(tái)橫橋向受力的代價(jià)上，減小橋臺(tái)處主梁橫橋向位移。