白沙長(zhǎng)江大橋橫向抗震體系研究

何 岸，楊 亞

（中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，四川 成都 610036）

0 引言

隨著中國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，大跨徑斜拉橋在橋梁建設(shè)中的應(yīng)用越來越多。多座大跨度斜拉橋的地震響應(yīng)分析表明，斜拉橋的抗震薄弱部位多為主塔、邊墩、邊墩樁基，以及支承連接部位[1]。在建或已建的大跨徑斜拉橋中，常見的結(jié)構(gòu)體系為漂浮或半漂浮體系，塔梁墩固結(jié)體系相對(duì)較少。對(duì)于塔梁墩固結(jié)體系斜拉橋來說，主梁可視為在跨徑內(nèi)有多點(diǎn)彈性支承的連續(xù)剛構(gòu)，與全漂浮和半漂浮體系斜拉橋相比，這種體系能夠提高橋梁整體的橫向剛度，但同時(shí)也會(huì)使結(jié)構(gòu)在橫橋向的地震響應(yīng)顯著增大，使邊墩的橫向受力極為不利[2]。因此，斜拉橋邊墩橫向抗震問題應(yīng)引起關(guān)注?，F(xiàn)以瀘州市白沙長(zhǎng)江大橋?yàn)槔?，基于《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》[3]開展邊墩橫向抗震體系研究。

1 工程概況與有限元模型

1.1 工程概況

白沙長(zhǎng)江大橋位于四川省瀘州市合江縣境內(nèi)，是一座主橋長(zhǎng)920 m 的空間混合梁斜拉橋，橋面總寬度為30.5 m，荷載設(shè)計(jì)采用公路Ⅰ級(jí)。主跨520 m，邊跨橋跨布置為44.2+2×50+55.8（m）和55.8+2×50+44.2（m），共九跨。采用塔墩梁固結(jié)的結(jié)構(gòu)體系，除中跨主梁形式采用鋼箱梁外，其余橋跨主梁均為混凝土主梁，主塔為獨(dú)柱式雙塔，主索面呈單索面。由《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015）[4]可知，白沙長(zhǎng)江大橋主橋橋址處地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，地震基本烈度為Ⅵ度，場(chǎng)地類型屬Ⅱ類，反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。主橋布置形式如圖1 所示。

圖1 主橋布置圖（單位：m）

1.2 有限元模型

采用通用有限元軟件Midas Civil 建立全橋有限元模型，除斜拉索采用桁架單元模擬其作用外，其余主體結(jié)構(gòu)均采用空間梁?jiǎn)卧问竭M(jìn)行模擬?？紤]恒載幾何剛度對(duì)主塔、主梁和斜拉索的影響，為模擬樁土間共同作用，利用集中質(zhì)量法將其離散為“質(zhì)量-彈簧-阻尼”系統(tǒng)，且以“m 法”確定等代土彈簧的剛度。結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2 所示。

圖2 橋梁有限元模型

1.3 時(shí)程波的選取

時(shí)程分析采用地震安評(píng)單位給定的該橋址處50年超越概率為10%（地震重現(xiàn)期約為475 年）的3 條水平地震動(dòng)時(shí)程，圖3 為其中一條典型水平地震動(dòng)時(shí)程，豎向地震動(dòng)時(shí)程采用0.65 倍的水平地震動(dòng)時(shí)程。根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG／T_B02-01—2008）[3]可知，當(dāng)采用3 條地震動(dòng)時(shí)程計(jì)算時(shí)，應(yīng)取3組計(jì)算結(jié)果的最大值。

圖3 典型水平地震動(dòng)時(shí)程圖示

2 橫橋向約束體系研究

白沙長(zhǎng)江大橋邊墩較多，主梁與邊墩的橫向約束方式會(huì)影響各橋墩的橫向地震響應(yīng)?，F(xiàn)通過分析支座橫向自由、支座橫向約束、過渡墩支座橫向約束、輔助墩支座橫向自由、過渡墩支座橫向自由、輔助墩支座橫向約束四種墩梁橫向約束方式，研究不同橫向約束體系對(duì)結(jié)構(gòu)橫向地震響應(yīng)的影響。不同約束體系下，邊墩墩底橫向彎矩如圖4 所示，墩梁橫向相對(duì)位移如圖5 所示。

圖4 不同約束體系下墩底彎矩曲線圖

圖5 不同約束體系下墩梁橫向相對(duì)位移曲線圖

根據(jù)圖4 和圖5 可知，不同約束體系在橫橋向地震作用下，邊墩內(nèi)力響應(yīng)和墩梁相對(duì)位移變化較明顯。與邊墩支座橫向約束相比，當(dāng)采用支座橫向自由約束體系時(shí)，3# 輔助墩墩底彎矩增加6.3%，其余邊墩的墩底彎矩有明顯的減小，其中7# 墩底彎矩減小72.85%，但墩梁橫向相對(duì)位移有明顯增加，其中過渡墩的墩梁橫向相對(duì)位移增加98.69%；當(dāng)采用過渡墩支座橫向約束輔助墩支座橫向自由約束體系時(shí)，過渡墩墩底彎矩增加10.59%，過渡墩的墩梁相對(duì)橫向位移增加了90.19%；當(dāng)采用過渡墩支座橫向自由輔助墩支座橫向約束時(shí)，輔助墩墩底彎矩整體是增大的，其中1#輔助墩墩底彎矩增加了212.83%，對(duì)于橋梁的橫向抗震是不利的。

通過以上分析可知，支座橫向約束體系能有效減小墩梁橫向相對(duì)位移，但是會(huì)明顯增大邊墩的橫向地震響應(yīng)，不僅對(duì)橋梁的設(shè)計(jì)和建造提出更高要求，也會(huì)降低橋梁的經(jīng)濟(jì)性。采用支座橫向自由體系對(duì)邊墩的地震內(nèi)力響應(yīng)是有利的，但會(huì)增大墩梁橫向相對(duì)位移。因此，需要在橫向自由體系基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的橫向減震措施。

3 橫向減震措施分析

在邊墩支座橫向自由體系的基礎(chǔ)上，分別選取橫向擋塊減震體系和粘滯阻尼器減震體系進(jìn)行橫向減震體系分析。

3.1 橫向擋塊減震體系

混凝土剛性擋塊是目前常采用的橫向限位措施[5]，現(xiàn)選取混凝土剛性擋塊，進(jìn)行參數(shù)分析。為研究擋塊剛度對(duì)橋梁橫向地震響應(yīng)的影響，取擋塊的初始間隙為0.03 m，擋塊剛度分別取0.5×105kN/m、1×105kN/m、1.5×105kN/m、2×105kN/m、2.5×105kN/m 和5×105kN/m，分析橋梁的橫向地震響應(yīng)。墩底彎矩、墩梁橫向相對(duì)位移，以及擋塊的橫向剪力隨著擋塊剛度的變化如圖6 所示。

由圖6（a）可知，隨著擋塊剛度的增加，邊墩墩底彎矩總體上呈現(xiàn)先快速增大，后逐漸趨于平穩(wěn)，在擋塊剛度為0.5×105（kN·m-1）時(shí)，墩底彎矩最?。慌c支座橫向約束體系相比，1#、2# 輔助墩橫向地震響應(yīng)分別增加了23.08%和38.70%。由圖6（b）可知，隨著擋塊剛度的增加，墩梁相對(duì)位移逐漸減小，后趨于平緩，墩梁相對(duì)位移普遍大于60 mm。根據(jù)上述分析，采用混凝土剛性擋塊時(shí)，邊墩內(nèi)力分布較為復(fù)雜，不能夠同時(shí)減小，同時(shí)墩梁相對(duì)位移普遍較大。由圖6（c）可知，隨著擋塊剛度的增加，擋塊橫向剪力逐漸增大，1# 輔助墩最大剪力為4.08×103kN，極易造成擋塊的損壞?？梢姴捎没炷羷傂該鯄K對(duì)塔梁墩固結(jié)體系斜拉橋橫向減震效果并不理想。

圖6 不同擋塊剛度對(duì)地震響應(yīng)的影響曲線圖

3.2 黏滯阻尼器減震體系

黏滯阻尼器裝置是一種速度相關(guān)型阻尼裝置，其阻尼力主要取決于速度，對(duì)溫度變化、較小風(fēng)速和車輛等緩慢作用的荷載基本不起作用，但對(duì)地震等變化較為劇烈的動(dòng)力荷載起到耗能減震作用[6]。

黏滯阻尼器一般采用由彈簧和阻尼器串聯(lián)組成的Maxwell 模型模擬，其阻尼力-位移滯回曲線近似矩形，動(dòng)力特性穩(wěn)定，且不改變結(jié)構(gòu)固有特性，在額定行程內(nèi)不增加結(jié)構(gòu)剛度，只提供附加阻尼[7]，其阻尼力輸出方程為：

式中：F 為阻尼力；C 為阻尼系數(shù)；V 為最大反應(yīng)速度；α 為速度指數(shù)。

黏滯阻尼器選擇不同的參數(shù)C 時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)影響也不同，需要對(duì)阻尼器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，使結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)的減震效果。阻尼器參數(shù)取值對(duì)結(jié)構(gòu)橫向地震響應(yīng)的影響如圖7 所示。

圖7 阻尼器參數(shù)取值對(duì)地震響應(yīng)的影響曲線圖

由圖7 可知：

（1）當(dāng)α=0.3 時(shí)，隨著C 的增大，墩底彎矩逐漸增大，當(dāng)α=0.4 和0.5 時(shí)，隨著C 的增大，墩底彎矩總體上呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。

（2）當(dāng)α 一定時(shí)，隨著C 的增大，墩梁橫向相對(duì)位移總體減小，當(dāng)C＞1 500 [kN/(m/s)α]時(shí)，墩梁相對(duì)位移變化逐漸趨于平緩，與支座橫向自由體系相比，墩梁相對(duì)位移減小50%以上。

（3）當(dāng)C 一定時(shí)，隨著α 的增大，墩底彎矩總體上呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，三者之間的差值隨著C 值增大逐漸增大，墩梁相對(duì)位移呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，三者之間的差值隨著C 值增大逐漸趨于一致。

（4）當(dāng)C 一定時(shí)，阻尼力隨α 的增大而減小；當(dāng)α 一定時(shí)，阻尼力隨C 的增大而增大。

通過以上分析，結(jié)合邊墩墩底彎矩和墩梁相對(duì)橫向位移，單個(gè)阻尼器的設(shè)計(jì)參數(shù)取阻尼系數(shù)C=1 000 [kN/（m/s）α]，速度指數(shù)α=0.4 時(shí)為較優(yōu)選擇。

3.3 黏滯阻尼器減震效果

橫向自由體系、橫向約束體系與橫向黏滯阻尼器體系的主要橫向地震響應(yīng)如表1 所列。

表1 粘滯阻尼器減震效果一覽表

由表1 可知，與墩梁橫向約束體系相比，輔助墩墩底彎矩減小了40%以上，其中8# 輔助墩墩底彎矩減小了68%，過渡墩墩底彎矩減小了65%；左塔墩底彎矩減小了1%左右。出現(xiàn)這種原因可能在于，塔墩梁固結(jié)體系，主塔與主墩的橫向剛度通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于邊墩的橫向剛度，因此絕大部分地震響應(yīng)由主墩承擔(dān)，邊墩所分擔(dān)的橫向地震響應(yīng)相對(duì)較小，因此邊墩與主梁之間的橫向約束對(duì)主塔和主墩的影響相對(duì)較小，而對(duì)邊墩影響較大。采用黏滯阻尼器約束體系，墩梁橫向相對(duì)位移最大值為0.0132 m，易于滿足。

4 結(jié)論

（1）對(duì)于塔梁墩固結(jié)體系斜拉橋，邊墩處不同的橫向約束體系，結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的橫向地震響應(yīng)有較大差別；對(duì)于過渡墩和輔助墩橫向約束體系，均會(huì)增大相應(yīng)的輔助墩或過渡墩的地震響應(yīng)內(nèi)力，對(duì)結(jié)構(gòu)的橫向抗震不利。

（2）對(duì)于過渡墩，以及輔助墩處的橫向自由體系，雖然主塔及輔助墩的內(nèi)力響應(yīng)有所降低，但是墩梁具有較大的橫向位移，因而對(duì)橋梁的伸縮裝置具有更高的要求。

（3）對(duì)于白沙長(zhǎng)江大橋，在墩梁橫向自由體系的基礎(chǔ)上，橫向采用混凝土剛性擋塊限位措施，并不是一種理想的橫向減震措施。

（4）采用黏滯阻尼器橫向減震體系，可以有效地減小邊墩和主墩底部橫向地震響應(yīng)內(nèi)力，同時(shí)墩梁橫向相對(duì)位移也可以明顯減小，所以推薦白沙長(zhǎng)江大橋在輔助墩和過渡墩橫向采用黏滯阻尼器減震體系。