大跨徑混合梁斜拉橋抗震體系及阻尼參數(shù)研究

李 智

（泗陽縣交通產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，江蘇 宿遷 223700）

0 引言

地震是一種在短時(shí)間內(nèi)劇烈釋放能量的自然災(zāi)害，對地面建筑與橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重破壞甚至導(dǎo)致橋梁倒塌。近年來，減隔震技術(shù)便得到學(xué)者的廣泛關(guān)注，越來越多的減隔震裝置被開發(fā)并應(yīng)用到橋梁領(lǐng)域，其中以黏滯阻尼器為主的各類阻尼器發(fā)展最為迅速。黏滯阻尼器構(gòu)造簡單，實(shí)用性廣，使用壽命長[1]。目前我國有許多已建或在建的斜拉橋都成功應(yīng)用黏滯阻尼器來改善結(jié)構(gòu)抗震性能，如蘇通長江大橋、東海大橋[2]等。

相關(guān)研究表明，在塔梁連接處沿縱向安裝黏滯阻尼器可以減小塔底彎矩與塔頂位移，提高抗震能力。黏滯阻尼器的減震性能與其參數(shù)取值關(guān)系密切。巫生平等[3]建立了關(guān)鍵截面參數(shù)與阻尼參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型。張文學(xué)等[4]分析了橋梁相對高度對黏滯阻尼器的最優(yōu)參數(shù)取值與減震效果影響。聶利英等[5]研究了大跨斜拉橋在大型阻尼器下的主梁縱向運(yùn)動(dòng)阻尼水平。胡可等[6-9]研究了斜拉橋在不同抗震體系下的減隔震性能。

本文以京杭運(yùn)河泗陽桃源大橋?yàn)楸尘?，研究結(jié)構(gòu)在縱橋向無連接裝置、設(shè)置黏滯阻尼器、設(shè)置彈性索3種體系下的抗震性能，并分析不同參數(shù)對地震響應(yīng)的影響，得出本工程的合理設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)為同類工程提供參考。

1 工程背景

1.1 項(xiàng)目概況

圖1 橋型總體布置（單位：cm）

圖2 主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面（單位:mm）

1.2 有限元模型

采用Midas Civil有限元分析軟件建立動(dòng)力分析模型，如圖3所示。主梁、主塔、橋墩和承臺(tái)均采用梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬。主梁與斜拉索剛接，斜拉索和主塔均考慮了恒載幾何剛度，墩底節(jié)點(diǎn)與承臺(tái)頂節(jié)點(diǎn)剛接。

圖3 京杭運(yùn)河桃源大橋動(dòng)力計(jì)算模型示意圖

1.3 地震動(dòng)輸入

本文采用非線性時(shí)程分析法，輸入3條E2地震波，取最大結(jié)構(gòu)響應(yīng)作為計(jì)算結(jié)果。本文僅探討縱向抗震體系，因此僅考慮縱向地震動(dòng)。

2 抗震體系及參數(shù)敏感性分析

按照塔梁連接處的減隔震措施，分為3種體系：無連接裝置、設(shè)置阻尼器、設(shè)置彈性索。通過計(jì)算對比3種體系的抗震能力，分析阻尼器阻尼常數(shù)C與阻尼指數(shù)α對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。

2.1 結(jié)構(gòu)布置形式

本橋主跨385 m。主塔牛腿處橫向設(shè)置抗風(fēng)支座，兩個(gè)主塔的塔、梁相交處各設(shè)置4個(gè)縱向阻尼器/彈性索。支座與阻尼器/彈性索布置形式如圖4所示，主橋左右半跨支座布置相同。

圖4 主橋左半跨約束布置圖（單位cm）

本橋在輔助墩及過渡墩墩梁之間設(shè)置支座，其中一側(cè)為縱向單向活動(dòng)的摩擦擺支座，另一側(cè)為雙向活動(dòng)的摩擦擺支座。支座參數(shù)見表1。

表1 摩擦擺支座參數(shù)

2.2 黏滯阻尼器與彈性索體系參數(shù)敏感性分析

在動(dòng)力計(jì)算模型中，阻尼器采用Maxwell模型模擬，彈性索采用彈簧連接單元模擬。

阻尼器的主要參數(shù)為阻尼系數(shù)C和速度指數(shù)α。其中，α常用取值為0.3~1.0。本文在進(jìn)行敏感性分析時(shí)，α取值0.3、0.4、0.5、0.6、0.8；C取值1 500 kN、3 000 kN、4 500 kN、6 000 kN。彈性索中彈簧剛度取值1 500 kN/m、3 000 kN/m、4 500 kN/m、6 000 kN/m。

橋梁結(jié)構(gòu)在地震下響應(yīng)主要包括關(guān)鍵位移與關(guān)鍵構(gòu)件的內(nèi)力?？v橋向地震作用下，結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵位移為梁端和塔頂?shù)目v向位移；關(guān)鍵構(gòu)件內(nèi)力為主塔塔底與輔助墩墩底的彎矩、剪力、軸力。

8.C 提示:由于金屬失去的電子數(shù)應(yīng)等于金屬陽離子結(jié)合的氫氧根數(shù),則氫氧根為1.7g即0.1 mol,從而推及合金失電子為0.1NA,所以A項(xiàng)正確。再依得失電子守恒知B正確。假設(shè)全為鎂,則為0.05mol,其質(zhì)量應(yīng)為1.2g,全為鋁則為0.13mol,其質(zhì)量應(yīng)為0.9g,所以D項(xiàng)正確。而金屬完全溶解,有可能鹽酸過量,所以C項(xiàng)錯(cuò)誤。

2.2.1 位移與內(nèi)力效應(yīng)最大值

對縱橋向無連接裝置、設(shè)置黏滯阻尼器、設(shè)置彈性索3種體系，以及不同阻尼參數(shù)組合，計(jì)算橋梁關(guān)鍵部位地震響應(yīng)，結(jié)果如圖5~圖11所示。

圖5 梁端縱向位移

圖6 塔頂縱向位移

圖7 塔底彎矩

圖8 輔助墩墩底彎矩

由圖5~圖11可知：

圖11 阻尼器/彈性索軸力

（1）相比于縱橋向無連接裝置，結(jié)構(gòu)設(shè)有阻尼器時(shí)，地震下的梁端最大位移減幅10.4%~48.5%，塔底彎矩減幅15.9%~40.6%，輔助墩墩底彎矩減幅7.4%~41.2%，塔底剪力減幅-21.6%~11.9%，輔助墩墩底剪力減幅7.6%~36.0%，塔底軸力減幅1%~4%；輔助墩墩底軸力減幅1%~12%。阻尼器的設(shè)置對塔底墩底彎矩、梁端位移有明顯降低效果，不同阻尼參數(shù)下的降幅變化較大；阻尼器對塔底、墩底的剪力與軸力有一定程度降低。相比于彈性索體系，阻尼器對以上各種指標(biāo)同樣均有改善，阻尼器的設(shè)置對提高結(jié)構(gòu)抗震性能有明顯促進(jìn)作用。

圖9 塔底剪力

圖10 輔助墩墩底剪力

（2）阻尼系數(shù)C的增加有利于提高結(jié)構(gòu)抗震性能。在速度指數(shù)α不變時(shí)，隨著阻尼系數(shù)C的增加，梁端縱向位移、輔助墩墩底及主塔塔底彎矩、軸力均減小。以速度指數(shù)α=0.4為例，當(dāng)阻尼系數(shù)由1 500 kN增大至6 000 kN，梁端縱向位移減小了35.2%；塔底彎矩減小了21.5%；輔助墩墩底彎矩減小了26.8%；塔底軸力減小了2.0%；輔助墩墩底軸力減小了7.3%；塔底剪力增大了25%；阻尼器最大軸力由1 299 kN增大至4 472 kN，增大了244.2%。

（3）速度指數(shù)α的減小可提高結(jié)構(gòu)抗震性能。在阻尼指數(shù)C不變時(shí)，隨著速度指數(shù)α的減小，梁端縱向位移、輔助墩墩底及主塔塔底彎矩、軸力均減小。以阻尼指數(shù)C=3 000 kN為例，當(dāng)速度指數(shù)α由0.8減小至0.3時(shí)，梁端縱向位移減小了12.2%，塔底彎矩減小了9.1%，輔助墩墩底彎矩減小了6.1%，塔底軸力減小了2.0%，輔助墩墩底軸力減小了0.5%，塔底剪力增大了10.8%，阻尼器最大軸力增大了20.0%。

（4）彈簧剛度k的增大在一定程度上可以提高結(jié)構(gòu)抗震性能，但效果不明顯。當(dāng)k由1 500 kN/m增大至6 000 kN/m時(shí)，梁端縱向位移減小了5.5%，塔底彎矩減小了3.0%，輔助墩墩底彎矩減小了5.1%，塔底軸力減小了0.7%，輔助墩墩底軸力減小了3.4%，塔底剪力增加了10.7%，彈性索最大軸力增加了47.4%。

2.2.2 位移與內(nèi)力時(shí)程分析

為研究3種抗震體系的減震能力，根據(jù)阻尼參數(shù)對結(jié)構(gòu)抗震能力的影響規(guī)律，選擇阻尼系數(shù)C=6 000 kN、速度指數(shù)α=0.3的阻尼器，彈性索體系彈簧剛度k=6 000 kN/m。梁端縱向位移、結(jié)構(gòu)塔底彎矩的時(shí)程曲線如圖12、圖13所示。

圖12 梁端位移時(shí)程曲線

圖13 塔底彎矩時(shí)程曲線

由圖12、圖13可知，阻尼器的設(shè)置可以顯著減小梁端位移與塔底彎矩。合理的阻尼器參數(shù)設(shè)計(jì)對結(jié)構(gòu)抗震性能起到促進(jìn)作用。

3 減隔震效果與傳力路徑分析

為研究3種不同體系下地震力傳力路徑，分別選擇縱向無連接裝置、設(shè)置阻尼器體系（C=6 000 kN，α=0.3）、設(shè)置彈性索體系（k=6 000 kN/m），計(jì)算得到橋塔的彎矩圖如圖14~圖16所示，橋塔剪力圖如圖17~圖19所示。

圖14 縱橋向無連接裝置體系下橋塔彎矩圖（單位：kN·m）

圖15 設(shè)置阻尼器體系下橋塔彎矩圖（單位：kN·m）

圖16 彈性索體系下橋塔彎矩圖（單位：kN·m）

圖17 縱橋向無連接裝置體系下橋塔剪力圖（單位：kN）

圖18 設(shè)置阻尼器體系下橋塔剪力圖（單位：kN）

圖19 彈性索體系下橋塔剪力圖（單位：kN）

由圖14~圖19可知：

（1）地震力的傳力路徑為：縱橋向無連接裝置時(shí)，主梁縱橋向地震力主要分為兩部分，一部分通過斜拉索傳遞至橋塔上塔柱，由上塔柱向塔底傳遞；另一部分通過輔助墩與主梁連接支座向下傳遞。計(jì)算結(jié)果表明，傳至輔助墩的縱向地震力僅為通過斜拉索傳至主塔地震力的10%左右。在安裝阻尼器或彈性索的體系中，縱向地震力除上述傳力路徑外，同時(shí)直接通過主梁直接傳至主塔。

（2）在縱橋向無連接裝置的體系中，主塔彎矩由上至下近似線性增加，剪力變化不明顯。大跨斜拉橋的橋塔往往較高，較大的傳力力臂導(dǎo)致下塔柱彎矩較大。在彈性索體系中，彈性索將一部分主梁的慣性力直接作用于上下塔柱之間，剪力圖中出現(xiàn)塔梁處的剪力突變，通過減小彎矩計(jì)算時(shí)力臂來降低下塔柱彎矩與剪力。在安裝阻尼器體系中，除了減小力臂外，黏滯阻尼器還可通過自身的減震耗能作用降低傳遞至上下塔柱間的地震力，進(jìn)一步降低下塔柱彎矩，提高抗震安全性。

4 結(jié)語

本文對比了一座主跨385 m的斜拉橋在縱橋向無連接裝置、設(shè)置黏滯阻尼器、設(shè)置彈性索3種體系下的抗震能力，分析了不同參數(shù)下橋梁關(guān)鍵部位的地震響應(yīng)變化，研究了不同體系下的地震力傳力路徑，得到以下4點(diǎn)結(jié)論：

（1）相比于無阻尼體系和彈性索體系，黏滯阻尼器的設(shè)置可以有效提高結(jié)構(gòu)抗震能力，特別是在減小關(guān)鍵部位位移與塔底、墩底彎矩方面，效果顯著。

（2）黏滯阻尼器參數(shù)的取值對結(jié)構(gòu)減震能力影響較大。在合理的參數(shù)范圍內(nèi)，隨著阻尼系數(shù)C的增加，梁端及塔頂縱向位移、輔助墩墩底及主塔塔底的彎矩、軸力減小，阻尼器的阻尼力增大，結(jié)構(gòu)抗震性能提高。

（3）減小速度指數(shù)α可提高結(jié)構(gòu)抗震性能，α越小，關(guān)鍵部位內(nèi)力位移下降越明顯，但α過小將會(huì)影響阻尼器可靠性，建議計(jì)算取值范圍為0.3~1.0。

（4）雖然較大的阻尼系數(shù)C有利于提高結(jié)構(gòu)減震性能，但大型阻尼器布置不便，且過大阻尼力對橋塔有不利影響。在同類工程中，建議沿橫橋向設(shè)置多個(gè)小型阻尼器，在參數(shù)合理范圍內(nèi)選擇較大阻尼常數(shù)C并配置較小速度指數(shù)α。