全 偉，張 雷，王礪文

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

高烈度震區(qū)獨(dú)塔斜拉橋減震優(yōu)化設(shè)計(jì)

全 偉，張 雷，王礪文

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

高烈度震區(qū)獨(dú)塔斜拉橋在縱、橫向地震作用下均需滿足相應(yīng)的抗震性能要求，以唐山市二環(huán)路上跨津山鐵路獨(dú)塔斜拉橋?yàn)槔?，該橋綜合采用主塔處設(shè)置縱向粘滯阻尼器，輔助墩和邊墩設(shè)置橫向粘滯阻尼器的結(jié)構(gòu)體系，分別抵御縱、橫向地震。設(shè)計(jì)對(duì)阻尼系數(shù)和阻尼指數(shù)等進(jìn)行了詳細(xì)的參數(shù)分析；對(duì)合理橫向抗震體系進(jìn)行研究。研究表明：阻尼系數(shù)和阻尼指數(shù)應(yīng)進(jìn)行參數(shù)分析，并綜合考慮梁端梁-墩相對(duì)位移、橋塔受力等合理選擇。橫向阻尼約束體系相對(duì)漂浮體系和固定體系更優(yōu)。本橋減震設(shè)計(jì)體系合理，取得了很好的減震效果。

高烈度；獨(dú)塔斜拉橋；縱向減震；橫向減震；粘滯阻尼器

1 概述

對(duì)于高烈度地震區(qū)的重要橋梁，如大跨連續(xù)梁[1-3]、斜拉橋[4-6]等，采用傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法，很難滿足其抗震設(shè)計(jì)需求。因此，有必要采用合理的減震措施。粘滯阻尼器主要通過提供阻尼，在大震作用下，在橋梁結(jié)構(gòu)中起到耗能和減震的目的。其減震效果已得到廣泛的認(rèn)同，并在國(guó)內(nèi)外大量工程實(shí)踐中采用[7-10]。

結(jié)合唐山市二環(huán)路上跨津山鐵路獨(dú)塔四索面斜拉橋的抗震設(shè)計(jì)，對(duì)獨(dú)塔斜拉橋縱、橫向減震體系進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，縱橋向在塔梁相交處設(shè)置粘滯阻尼器，并針對(duì)橋梁的減震目標(biāo)，對(duì)阻尼器關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，阻尼系數(shù)和阻尼指數(shù)的選取進(jìn)行了參數(shù)分析。橫橋向，在輔助墩和邊墩處設(shè)置橫向粘滯阻尼器，相比橫向約束和橫向漂浮體系達(dá)到了較好的減震效果。

2 工程簡(jiǎn)介

唐山市二環(huán)路上跨津山鐵路斜拉橋主跨布置為(34+81+115) m，主橋全長(zhǎng)230 m，邊跨設(shè)1個(gè)輔助墩，橋梁立面布置如圖1所示。橋梁為獨(dú)塔四索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，主塔為雙人字型橋塔；主梁采用單箱三室截面；斜拉索采用高強(qiáng)平行鋼絲，斜拉橋邊跨和主跨單索面各布置16根斜拉索，全橋共設(shè)64對(duì)斜拉索，梁上索距6.0 m，塔上索距1.5 m。

本橋位于河北唐山市，橋址區(qū)域位于跨越華北地震區(qū)的華北平原地震帶和郯廬地震帶，抗震設(shè)防烈度為8度[11]。根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 166—2011)[12]，本橋抗震設(shè)防類別為甲類，E1地震結(jié)構(gòu)需基本處于彈性范圍；E2地震橋梁可發(fā)生輕微損傷。

圖1 斜拉橋立面布置(單位：cm)

抗震設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)應(yīng)E1地震采用橋位處《工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》[11]中超越概率50年10%的相應(yīng)參數(shù)，地震動(dòng)加速度峰值均值達(dá)到0.271g。對(duì)應(yīng)E2地震采用超越概率50年2%的相應(yīng)參數(shù)，地震加速度峰值均值達(dá)到0.463g，圖2所示為安評(píng)報(bào)告提供的1條人造地震波時(shí)程曲線。由于本橋抗震設(shè)防烈度及需滿足的性能水準(zhǔn)均較高，因此需考慮在橋梁的縱、橫向設(shè)置合理的減震設(shè)施，滿足強(qiáng)震作用下橋梁的性能要求。

圖2 人造地震波

3 獨(dú)塔斜拉橋減震設(shè)計(jì)

本橋抗震設(shè)計(jì)時(shí)，考慮采用合理的減震技術(shù)來提高橋梁的抗震性能。其縱、橫向阻尼器和支座布置如圖3所示。

圖3 獨(dú)塔斜拉橋支座及縱、橫向阻尼器布置示意(單位：mm)

(1)橋梁在縱橋向?yàn)槠◇w系，在塔墩、主梁之間設(shè)置了縱向粘滯阻尼器，大幅度減小了橋梁在縱橋向的地震響應(yīng)。一方面，梁端位移滿足伸縮縫設(shè)置的需求；另一方面主橋地震響應(yīng)大幅減小，滿足橋梁配筋的需求。

(2)獨(dú)塔斜拉橋橫向同樣考慮設(shè)置橫向粘滯阻尼器進(jìn)行減震，設(shè)計(jì)時(shí)考慮在輔助墩和邊墩設(shè)置橫向阻尼器。主塔處由于橋梁采用雙人字形橋塔，主梁從人字形橋塔中間通過，主梁側(cè)壁和橋塔之間空間有限，很難適應(yīng)較大的橫向變位。此外，主塔處橋梁縱向已設(shè)置了較大噸位的阻尼器，橫向如再設(shè)置阻尼器，對(duì)根部主梁設(shè)計(jì)也極為不利，因此，僅考慮在輔助墩和邊墩設(shè)置橫向阻尼器。

(3)為了滿足正常使用的要求，邊墩和輔助墩處，橫向均設(shè)置1個(gè)橫向固定支座。在大震作用下，橫向固定約束剪斷，阻尼器發(fā)揮作用。

3.1 縱向抗震體系

橋梁縱向采用漂浮體系，可有效減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。由于縱向漂浮，主梁在地震作用下縱向位移過大，經(jīng)試算，如不設(shè)置阻尼器，本橋縱向位移將達(dá)到1 m以上，顯然不能滿足設(shè)計(jì)要求。因此考慮在主塔和主梁交匯處設(shè)置粘滯阻尼器。

粘滯阻尼器提供的阻尼力可用下式表示

F=Cvα

式中F——粘滯阻尼器提供的阻尼力；

C——阻尼系數(shù)；

v——速度；

α——阻尼指數(shù)。

設(shè)計(jì)時(shí)，通過調(diào)整粘滯阻尼器的阻尼系數(shù)C和阻尼指數(shù)α，通過優(yōu)化計(jì)算達(dá)到較好的減震效果。

本橋抗震設(shè)計(jì)的目標(biāo)是控制主塔內(nèi)力的同時(shí)，兼顧主梁位移(需控制伸縮縫規(guī)模)為目標(biāo)，分別對(duì)阻尼系數(shù)和阻尼指數(shù)的取值進(jìn)行了優(yōu)化。

3.1.1 阻尼系數(shù)的優(yōu)化

阻尼指數(shù)取α=0.3情況下，對(duì)阻尼系數(shù)的值進(jìn)行優(yōu)化，C值取0、4 000、8 000、12 000、16 000、20 000、24 000(kN/(m·s-1)0.3)(下文阻尼系數(shù)單位不再列出)進(jìn)行比選。E1地震作用下和E2地震作用下梁端梁-墩相對(duì)位移如圖4所示。

圖4 主梁橋墩相對(duì)位移隨阻尼系數(shù)C變化規(guī)律

由圖4可以看出，未設(shè)置阻尼器，E2地震作用下，漂浮體系斜拉橋縱向相對(duì)位移值為1.66 m，顯然不能滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)置阻尼器后，隨著阻尼系數(shù)值的增加，主梁和墩頂相對(duì)位移值(決定伸縮縫伸縮量的大小)迅速減小，當(dāng)阻尼系數(shù)增加到一定值后，減小趨勢(shì)變緩。繼續(xù)增加阻尼系數(shù)，對(duì)相對(duì)位移值改善有限。阻尼系數(shù)為20 000，E2地震作用下位移為0.246 m，相比未設(shè)阻尼器，減小幅度85.2%；阻尼系數(shù)增加為24 000，E2地震作用下位移為0.218 m，減小幅度86.9%，相比阻尼系數(shù)20 000，改善有限。故本橋阻尼系數(shù)最終取20 000作為設(shè)計(jì)值。

橋塔處阻尼器位移-阻尼力滯回曲線如圖5所示。

圖5 阻尼器位移-阻尼力滯回曲線

由圖5可以看出，最大阻尼出力為1 882 kN，阻尼器最大位移為0.308 m。故單幅橋需要阻尼力2 500 kN的阻尼器個(gè)數(shù)為8個(gè)，阻尼器行程采用±400 mm即可滿足設(shè)計(jì)需求。

圖6為阻尼器速度時(shí)程曲線，可以看出阻尼器最大速度接近1 m/s，故阻尼器出力和阻尼系數(shù)的比值接近于1。

圖6 阻尼器速度時(shí)程曲線

E1地震作用下和E2地震作用下塔柱底部順橋向彎矩如圖7所示。

圖7 橋塔底部彎矩隨阻尼系數(shù)C變化規(guī)律

設(shè)置縱向阻尼器之后，E1地震和E2地震作用下，橋塔的縱向地震響應(yīng)均大幅度降低，如阻尼系數(shù)為20 000，E2地震作用下，橋塔底部彎矩最大減少63.7%；E1地震作用下，橋塔底部彎矩減少57.7%?？梢娫O(shè)置縱向粘滯阻尼器對(duì)于斜拉橋主塔的縱向響應(yīng)，無論是位移還是內(nèi)力均有很好的減震效果。

但對(duì)于不同地震動(dòng)，并不一定是阻尼系數(shù)越大減震效果越好。E1地震作用下，阻尼系數(shù)為16 000時(shí)，墩底部彎矩減少幅度最大，達(dá)到62%，阻尼系數(shù)再增加時(shí)，墩底彎矩反倒略有反彈，阻尼系數(shù)24 000時(shí)，減少幅度降低為53%。

對(duì)于E2地震動(dòng)作用下，隨著阻尼系數(shù)增大，墩底彎矩呈減少趨勢(shì)，但阻尼系數(shù)繼續(xù)增加，其減震效果變緩。同時(shí)注意到，阻尼系數(shù)增加，勢(shì)必會(huì)增加阻尼器的用量，阻尼器布置和局部連接構(gòu)造的設(shè)計(jì)將變得困難。故綜上分析可見，阻尼系數(shù)的值，并不是越大越好，應(yīng)綜合考慮位移和內(nèi)力的減震效果以及經(jīng)濟(jì)因素等綜合確定。

3.1.2 阻尼指數(shù)的優(yōu)化

阻尼指數(shù)同樣是阻尼器選擇的一個(gè)重要參數(shù)，工程應(yīng)用中α值一般取0.2～0.5。本橋針對(duì)阻尼指數(shù)α值進(jìn)行了優(yōu)化。α值分別取0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5共7種工況進(jìn)行了計(jì)算分析，阻尼系數(shù)C值取20 000進(jìn)行計(jì)算。圖8給出了E1地震和E2地震作用下梁端梁和墩相對(duì)位移(控制伸縮縫的伸縮量)隨阻尼指數(shù)α的變化曲線。

圖8 梁-墩相對(duì)位移隨阻尼指數(shù)α變化規(guī)律

E1地震作用下，梁端梁墩相對(duì)位移隨著阻尼指數(shù)α的增大，變化趨勢(shì)不明顯。E2地震作用下，相對(duì)位移隨著阻尼指數(shù)α的增大，梁端位移呈增大趨勢(shì)，α=0.2時(shí)，相對(duì)位移最小為0.219 m；α=0.5時(shí)，相對(duì)位移增加到最大為0.306 m。阻尼系數(shù)越小，對(duì)控制梁端梁墩相對(duì)位移越有利。

不同阻尼指數(shù)下，E1和E2地震作用下塔柱底部順橋向彎矩如圖9所示。

圖9 橋塔底部彎矩隨阻尼指數(shù)α變化規(guī)律

E1地震作用下，隨著阻尼指數(shù)的增加，橋塔底部彎矩值呈較少趨勢(shì)，阻尼系數(shù)越大，內(nèi)力響應(yīng)越小。α=0.5比α=0.2減小幅度為18.8%。而對(duì)于E2地震作用，隨著阻尼指數(shù)值的增加，則呈增加趨勢(shì)，增加幅度有限，α=0.5比α=0.1增加幅度為6.4%。

此外，對(duì)比分析了不同阻尼指數(shù)情況下，阻尼器出力大小隨著阻尼指數(shù)α的變化規(guī)律，如圖10所示。

圖10 阻尼器出力隨阻尼指數(shù)α變化規(guī)律

由圖10可以看出阻尼器出力隨著阻尼指數(shù)增加越來越小，阻尼指數(shù)增加，對(duì)阻尼器受力來說是有利的。

綜上，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮梁端位移、主塔受力要求以及阻尼器出力大小等因素，選擇α值的大小。本橋選取α值為0.3作為最終確定值，原因是α=0.3時(shí)，梁端位移較小、主塔內(nèi)力值不大，且阻尼器出力均能滿足受力要求。

3.2 橫向抗震體系

斜拉橋橫向結(jié)構(gòu)體系對(duì)比分析了3種體系下計(jì)算情況：(1)橫向漂浮體系，地震時(shí)橫向約束釋放；(2)橫向全約束；(3)橫向阻尼約束體系，采用粘滯阻尼器。

表1為3種結(jié)構(gòu)體系下，斜拉橋橫向地震響應(yīng)對(duì)比。其中橫向阻尼約束體系中，7號(hào)橋墩和8號(hào)橋墩各采用阻尼力1 500 kN粘滯阻尼器2個(gè)；10號(hào)墩采用阻尼力2 500 kN粘滯阻尼器2個(gè)。阻尼器行程均為±400 mm。

表1 3種結(jié)構(gòu)體系下橋梁地震響應(yīng)

從表1可以看出：

(1) 橫向約束體系梁端位移最小，但橋墩內(nèi)力較大，橋墩檢算很難通過，且對(duì)支座要求較高。

(2)橫向漂浮體系則相反，橋墩內(nèi)力較小，但梁端橫向位移較大，發(fā)生地震后主梁糾偏困難；

(3) 阻尼約束體系梁端位移響應(yīng)則介于兩者之間，且橋墩的內(nèi)力最小。

綜上，采用阻尼約束體系，結(jié)構(gòu)受力最合理，保證了橋梁在大震作用下的安全。考慮到正常使用的要求，邊墩和輔助墩橫向固定支座在非地震狀態(tài)下作用同普通支座，在大震狀態(tài)下則被剪斷從而解除橫向約束，保證橫向粘滯阻尼器的正常工作。故需采用專門設(shè)計(jì)的抗震支座，滿足相關(guān)設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

通過對(duì)唐山市二環(huán)路上跨津山鐵路斜拉橋進(jìn)行了設(shè)置粘滯阻尼器的縱、橫向減震的優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出以下結(jié)論。

(1)一般情況下，阻尼系數(shù)越大，減震效果越好，但阻尼系數(shù)增加到一定程度后，減小幅度變小，且阻尼系數(shù)過大后，阻尼力過大，對(duì)于阻尼器布置和局部連接的設(shè)計(jì)將會(huì)困難。

(2)阻尼指數(shù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響相比阻尼系數(shù)要小，對(duì)于本橋，阻尼指數(shù)越小，梁端位移越??；對(duì)內(nèi)力響應(yīng)，總體影響不大；對(duì)于阻尼力，阻尼指數(shù)越小，阻尼力越大。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮阻尼指數(shù)對(duì)位移、結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)、阻尼力等影響規(guī)律合理選取。

(3)橋梁抗震設(shè)計(jì)的目標(biāo)需綜合考慮梁端梁-墩相對(duì)位移(控制伸縮縫規(guī)模)以及考慮主塔底部受力(控制結(jié)構(gòu)配筋)以及經(jīng)濟(jì)因素等綜合確定。阻尼系數(shù)和阻尼指數(shù)選擇時(shí)應(yīng)針對(duì)上述目標(biāo)進(jìn)行參數(shù)分析，合理選擇。

(4)對(duì)橫向抗震體系，相比橫向漂浮和橫向約束體系，橫向設(shè)置阻尼器的阻尼體系可使得橋墩內(nèi)力響應(yīng)最小，且橫向位移控制在合理范圍之內(nèi)，其抗震性能最合理。

本橋減震設(shè)計(jì)成果可供類似橋梁減震設(shè)計(jì)時(shí)參考。

[1] 張蓓雯.高烈度區(qū)單線鐵路大跨混凝土連續(xù)梁橋抗震設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012(8)：40-45．

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[10]理鋒.速度開關(guān)型阻尼器在橋梁抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J]鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(7)：35-37.

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Optimized Damping Design of Single Pylon Cable-stayed Bridge in High Intensity Seismic Region

QUAN Wei， ZHANG Lei， WANG Li-wen

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin 300142， China)

The seismic performance of cable-stayed bridges in high intensity seismic region shall meet the specification to resist longitudinal and transverse earthquake action. With reference to the single pylon cable-stayed bridge of Tangshan on second ring road crossing over Jinshan railway， longitudinal viscous dampers are installed on the pylon， while transverse viscous dampers are put in place on the side piers and auxiliary piers to resist the earthquake longitudinally and transversely respectively. Detailed parameter analysis of damping coefficients and damping exponent are conducted and the results show that the relative displacements of beam and pier and the response of pylon should be taken into consideration in order to decide the reasonable parameters， the transverse damping constrained system is better than the floating system and the totally constrained system. The seismic system design of the bridge is reasonable， and good vibration reduction effects are obtained．

High intensity region; Single pylon cable-stayed bridge; Longitudinal damping; Transverse damping; Viscous damper

2015-02-27；

2015-03-11

全 偉(1979—)，男，高級(jí)工程師，2008年畢業(yè)于大連理工

大學(xué)，工學(xué)博士，E-mail:24633047@qq.com。

1004-2954(2015)10-0068-05

U448.27

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.016