銀洲湖大橋地震響應(yīng)分析及抗震性能研究

楊 曄 （蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210000）

1 引言

斜拉橋在大跨度橋梁中得到了廣泛應(yīng)用，具有主塔高、主跨大、主梁較輕、結(jié)構(gòu)柔、阻尼小等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。大跨度斜拉橋塔梁連接處的縱向約束可分為4類：半漂浮體系、漂浮體系、塔梁固結(jié)體系和剛構(gòu)體系。半漂浮體系是斜拉橋廣泛采用的一種體系，在地震荷載作用下內(nèi)力小，但位移較大，一般采用阻尼器以減小主梁縱向位移、減小主塔內(nèi)力[1]。橫橋向斜拉橋由于抗風(fēng)需求，塔、梁間普遍采用固定約束方式。這種限位體系雖然主塔塔根處的橫向地震內(nèi)力很大，但主塔的截面較大，強(qiáng)度往往能滿足抗震要求。而對(duì)于斜拉橋邊墩，橫向如采用限位體系，在地震作用下，橋墩和基礎(chǔ)會(huì)產(chǎn)生超過(guò)其抗震能力的地震反應(yīng)。因此如何選擇合適的阻尼器及橫向抗震體系是大跨徑斜拉橋抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[2]。本文以一典型斜拉橋?yàn)槔?，介紹大跨徑斜拉橋抗震計(jì)算及結(jié)構(gòu)體系比選情況。

2 工程背景及地震動(dòng)參數(shù)選擇

銀洲湖特大橋?yàn)殡p塔雙索面混合梁斜拉橋，跨徑布置為（56.8+64.8+66.4）+530+（66.4+64.8+56.8）m。其橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型布置圖

銀洲湖特大橋地震動(dòng)峰值加速度為0.1g，場(chǎng)地特征周期為0.35s。根據(jù)安評(píng)報(bào)告中E1、E2各提供了3組水平方向的地震波，其中一組如圖2所示。

圖2 水平方向地震波

3 結(jié)構(gòu)模型與動(dòng)力特性

結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性是進(jìn)行地震分析的前提，通過(guò)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析，可了解結(jié)構(gòu)的頻率分布及振型特點(diǎn)，為初步判定結(jié)構(gòu)的抗震性能提供依據(jù)[1]。采用midas civil軟件進(jìn)行建模，用空間梁?jiǎn)卧M主梁和索塔的剛度，其質(zhì)量和質(zhì)量慣性矩則采用節(jié)點(diǎn)質(zhì)量來(lái)模擬，斜拉索采用等效桁架單元模擬。斜拉索與主梁之間采用剛臂單元連接；主梁與橋墩、主梁與橋塔的連接按照支座的設(shè)置情況采用彈性連接單元模擬，不考慮縱向阻尼器；結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)模擬時(shí)按實(shí)際建立樁基，采用m法和土彈簧模擬樁土之間的作用。表1給出了結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的計(jì)算結(jié)果。

銀洲湖特大橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性 表1

4 縱向減隔震設(shè)計(jì)

銀洲湖特大橋結(jié)構(gòu)體系為半漂浮體系，當(dāng)塔梁之間設(shè)置縱向阻尼器時(shí)，橋面系的地震慣性力直接受到阻尼器的約束和能量耗散，可達(dá)到減小主梁縱向位移、減小主塔內(nèi)力的效果[3]。

根據(jù)國(guó)內(nèi)的工程經(jīng)驗(yàn)[4]，銀洲湖特大橋縱橋向選擇粘滯阻尼器。粘滯阻尼器為速度相關(guān)型減隔震裝置，其阻尼力可由下式求得：

F=C·vn

式中F為阻尼力，C為阻尼系數(shù)，v為塔梁之間的相對(duì)速度，n為速度指數(shù)。

在進(jìn)行地震響應(yīng)計(jì)算和阻尼器選型分析時(shí)，考慮了不同的阻尼系數(shù)C和速度指數(shù)n的影響，阻尼系數(shù)C取1000～3500 kN/(m/s)不等，速度指數(shù)取 0.1～0.6，針對(duì)不同的參數(shù)組合進(jìn)行了參數(shù)分析。

結(jié)構(gòu)響應(yīng)取E2地震作用下3組地震波的最大值。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 阻尼器參數(shù)分析計(jì)算結(jié)果

對(duì)于控制梁端的縱向位移，增大阻尼是有利的，對(duì)于索塔塔底彎矩，采用較大的速度指數(shù)和較大的系數(shù)是有利的，但速度指數(shù)增大反而是不利的。對(duì)于阻尼器本身而言，阻尼系數(shù)越大、速度指數(shù)越小，最大阻尼力越大，且基本呈線性關(guān)系。

根據(jù)上述的參數(shù)變化規(guī)律，對(duì)于控制結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移，應(yīng)取較大的阻尼系數(shù)和適中的速度指數(shù)；但阻尼系數(shù)過(guò)大會(huì)導(dǎo)致較大的阻尼力使得阻尼器的尺寸增大，且阻尼系數(shù)增大到一定程度后，對(duì)于內(nèi)力和位移的影響效率會(huì)減弱。因此綜合考慮后，銀洲湖特大橋縱向阻尼器最終阻尼系數(shù)取2500kN/(m/s)n，速度指數(shù)n取0.4。此時(shí)塔底彎矩相對(duì)沒(méi)有加阻尼器的時(shí)候減小了約45%，梁端位移減少了約50%。

5 橫向支撐體系

根據(jù)國(guó)內(nèi)工程經(jīng)驗(yàn)，在高震區(qū)橋梁橫向也會(huì)設(shè)置減隔震裝置以減小地震響應(yīng)。銀洲湖特大橋位于0.1g區(qū)，橫向地震作用力可通過(guò)適當(dāng)增加下部結(jié)構(gòu)配筋利用自身強(qiáng)度抵抗，因此橫向支撐僅采用常規(guī)的單向支座或橫向抗風(fēng)支座。

橫向約束位置包括索塔、輔助墩和過(guò)渡墩。索塔位置必須設(shè)置橫向支撐，一是需要承受橫向風(fēng)荷載，二是防止地震時(shí)塔梁之間的撞擊。過(guò)渡墩位置一般也應(yīng)該設(shè)置橫向支撐，目的是限制正常使用過(guò)程中結(jié)構(gòu)的橫向位移，以防伸縮縫裝置損傷[5]。因此橫向支撐體系的研究主要是針對(duì)輔助墩是否設(shè)置橫向支撐。

針對(duì)輔助墩處設(shè)/不設(shè)橫向約束分別建立模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)構(gòu)響應(yīng)取E2地震作用下3組地震波的最大值。計(jì)算結(jié)果如表3～表5所示。

輔助墩橫向約束對(duì)輔助墩的影響 表4

輔助墩橫向約束對(duì)索塔的影響 表5

根據(jù)計(jì)算結(jié)果：①對(duì)于過(guò)渡墩，輔助墩墩頂無(wú)橫向約束時(shí)，主橋的橫向約束僅由主塔及過(guò)渡墩承擔(dān)，過(guò)渡墩的內(nèi)力較大；在輔助墩也加上橫向約束后，過(guò)渡墩的內(nèi)力及位移均有一定程度的減小，約減小5%～9%左右。②對(duì)于輔助墩，在輔助墩墩頂無(wú)橫向約束時(shí)，內(nèi)力較?。辉谠黾虞o助墩墩頂橫向約束后，由于橫向地震力一部分由該墩承擔(dān)，輔助墩的內(nèi)力及位移均有較大程度的增加，約增加1倍。③對(duì)于索塔，在輔助墩增加橫向約束后，主塔內(nèi)力及位移有一定程度的減小，約減小8%～10%。

由以上分析可見，輔助墩設(shè)置橫向約束后，主塔及過(guò)渡墩的橫向內(nèi)力及位移減少有限；但輔助墩自身的受力增加一倍，導(dǎo)致工程規(guī)模增加較多。最終確定索塔及過(guò)渡墩處設(shè)置雙向滑動(dòng)支座+橫向抗風(fēng)支座，輔助墩頂僅設(shè)置雙向滑動(dòng)支座。全橋的支撐體系如圖4所示。

圖4 全橋支撐體系

6 結(jié)論

本文針對(duì)銀洲湖特大橋的縱、橫向抗震進(jìn)行了計(jì)算研究：

①縱橋向設(shè)置粘滯阻尼器能有效地減小索塔的內(nèi)力和主梁的梁端位移。通過(guò)對(duì)阻尼器的參數(shù)分析，綜合對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移以及阻尼器自身受力，確定選擇阻尼系數(shù)C=2500(kN/(m/s))，速度指數(shù)n=0.4，結(jié)構(gòu)受力最優(yōu)；

②通過(guò)計(jì)算比選了輔助墩處是否設(shè)置橫向約束，設(shè)置橫向約束后輔助墩自身內(nèi)力增大較大，而對(duì)索塔和過(guò)渡墩的影響較小，因此確定輔助墩位置不設(shè)置橫向約束。

通過(guò)研究了縱向粘滯阻尼器及其不同參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，確定了合理的阻尼器參數(shù)。同時(shí)研究了不同的橫向支撐體系下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，確定了合理的橫向支撐體系。本文研究成果對(duì)類似體系的斜拉橋工程有一定的參考意義。