王茲剛

(廣東省交通規(guī)劃設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510507)

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大跨度跨海斜拉橋抗震裝置研究

王茲剛

(廣東省交通規(guī)劃設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510507)

大跨度跨海斜拉橋的基礎多采用高樁承臺形式，承臺尺寸較大且樁基礎自由樁長較長，給橋梁結構的抗震設計帶來較大挑戰(zhàn)。以通明海特大橋主橋為工程實例，分析研究幾種不同的抗震設計裝置，為大跨度跨海斜拉橋的抗震設計提供新的思路和方法。

大跨度；斜拉橋；高樁承臺；抗震裝置

大跨度跨海斜拉橋的基礎形式多采用高樁承臺鉆孔灌注樁，承臺尺寸較大；由于主跨跨越主航道處水深一般較深，并且要考慮長期沖刷對河床的影響，樁基礎自由樁長往往較長；海洋環(huán)境風速較大，結構設計時要兼顧抗風、抗震要求[1]。因此，除需在概念設計中采用抗震性能較好的結構形式外[2]，往往還需設置必要的減隔震裝置[3]。

橋梁常用減隔震裝置主要有橡膠支座、鉛芯橡膠支座、摩擦擺支座、鋼滯回阻尼器及液壓阻尼器等[4]。而對于斜拉橋，常用裝置主要有粘滯阻尼器[5-7]、鉛芯橡膠支座[8]、彈性連接裝置[7]及雙曲面球形減隔震支座[9]等。本文以通明海特大橋主橋為研究基礎，提出幾種不同的抗震設計方案，并進行對比分析，最終采用經濟、安全、耐久、可靠的抗震方案。

1 工程背景

通明海特大橋跨越湛江東海島通明海域，該處場地特征周期在重現(xiàn)期2000年時達到1.1 s；考慮一般沖刷后，主橋主塔處樁基的自由長度達到30 m，因此，對抗震提出較高要求。為了達到安全、經濟的目的，需對結構進行減隔震設計。

橋梁中常用的阻尼器有速度相關型和位移相關型2種，速度相關型如粘滯阻尼器，位移相關型如鋼阻尼器[10]。方案設計階段嘗試幾種不同的減隔震裝置，主要有雙曲面球形減隔震支座、粘滯阻尼及鋼阻尼等，對各種裝置的減隔震效果進行對比分析。

1.1 結構布置

通明海特大橋主橋跨徑布置為146 m+338 m+146 m，采用雙塔雙索面組合梁斜拉橋結構形式，結構體系采用半漂浮體系。塔梁間及過渡墩處分別設置2個單向支座，橫向約束，縱向可自由活動。橋梁結構布置及各構件尺寸如圖1～圖3所示。

圖1 橋型布置圖

圖2 主梁橫斷面圖

圖3 主塔結構圖

1.2 地震動

根據《安評報告》，E1及E2下(即重現(xiàn)期分別為475年及2000年)水平加速度反應譜公式為

(1)

水平加速度反應譜參數見表1所列；反應譜曲線如圖4所示。

表1 加速度反應譜參數

圖4 加速度反應譜曲線

地震動輸入采用重現(xiàn)期為2 000 a的7條人工地震波，該7條波與重現(xiàn)期為2 000 a的加速度反應譜對應,結構地震反應(內力、變形和位移)取7條人工波地震反應最大值的平均值。

1.3 有限元模型

采用有限元分析軟件Sap 2000 建立動力分析計算模型，主梁、橋墩及橋塔均采用梁單元進行模擬。減隔震裝置C型鋼阻尼及雙曲面支座采用Plastic(Wen)單元模擬，粘滯阻尼采用Damper單元模擬。主梁節(jié)點和斜拉索吊點以及橋塔與拉索錨固區(qū)用主從關系模擬；承臺近似剛體進行模擬，質量堆積在承臺質心；在承臺底采用6個方向的彈簧對樁基礎進行模擬。由于引橋對主橋的抗震性能有較大影響[11]，模型中同時建立兩端各一聯(lián)引橋。

2 縱向減隔震裝置

結構采用半漂浮體系，過渡墩支座及主塔支座縱向均無約束。為了降低結構在縱向地震作用下的內力及位移，塔梁間采用2種減隔震方法，即縱向粘滯阻尼和縱向鋼阻尼進行分析，并與縱向不采用減隔震裝置進行對比。粘滯阻尼器方案為1個塔梁間設置4個粘滯阻尼器，阻尼系數為3 000 kN/(m/s)0.4，阻尼指數為0.4。鋼阻尼方案為1個塔梁間設置2個C型鋼阻尼器，屈服力為4 000 kN。3種設計方案對比如圖5所示。

圖5 縱向地震下反應內力及梁端位移

根據以上分析結果，縱向地震作用下，不采用減隔震裝置時，結構內力及梁端縱向位移均較大，尤其是梁端位移。采用鋼阻尼或粘滯阻尼均取得良好的減隔震效果。在給定參數下，粘滯阻尼效果優(yōu)于鋼阻尼。粘滯阻尼對斜拉橋地震下的位移有較好控制效果[12]，本橋塔梁間的縱向減隔震裝置最終采用粘滯阻尼方案。

3 橫向減隔震裝置

3種減隔震方案對比如圖6所示。

圖6 橫向地震下反應內力及支座變形

過渡墩支座及主塔支座橫向均約束，塔梁間減隔震設計選取雙曲面支座、橫向鋼阻尼、橫向粘滯阻尼3種方案進行對比分析。同樣，粘滯阻尼器方案為1個塔梁間設置4個粘滯阻尼器，阻尼系數為3 000 kN/(m/s)0.4，阻尼指數為0.4。鋼阻尼方案為1個塔梁間設置2個C型鋼阻尼器，屈服力為4 000 kN。雙曲面球形減隔震支座方案為1個塔梁間設置2個雙曲面支座代替單向支座，雙曲面支座摩擦系數為0.02，曲面半徑為5 m。通過3種方案對比看出，雙曲面支座難以取得理想的減隔震效果，在地震作用下支座變形較大，而又沒有有效降低地震內力。鋼阻尼或粘滯阻尼均取得良好的減隔震效果，在給定參數下，鋼阻尼的效果優(yōu)于粘滯阻尼。本橋塔梁間橫向減隔震裝置最終采用鋼阻尼方案。

4 鋼阻尼減隔震裝置參數分析

為了進一步優(yōu)化橫向鋼阻尼裝置的減隔震效果，在鋼阻尼屈服前剛度、屈服后剛度不改變的情況下，分析屈服力對減隔震效果的影響。分別選擇2 500 kN、4 000 kN和8 000 kN屈服力進行計算對比。參數分析結果如圖7所示。

圖7 不同阻尼地震下反應內力及支座變形

由圖7可知，3種不同屈服力情況下，當屈服力不大時，隨著屈服力的增加，地震內力有減小的趨勢，但是并不明顯；支座變形則隨著屈服力的增大顯著降低。因此，鑒于屈服力越大，則裝置尺寸越大，不利于結構設計安裝，本橋橫向鋼阻尼屈服力最終選取4 000 kN。

5 結 論

(1) 縱向地震作用下，采用鋼阻尼或粘滯阻尼均能取得良好的減隔震效果。經對比分析，本橋采用粘滯阻尼方案。

(2) 橫向減隔震方案中，雙曲面支座難以取得理想的減隔震效果，鋼阻尼或粘滯阻尼均取得良好的減隔震效果。在既定參數下，鋼阻尼的效果優(yōu)于粘滯阻尼，本橋采用鋼阻尼方案。

(3) 通過對鋼阻尼器的參數分析，當屈服力不大時，隨著屈服力的增加，地震內力有減小的趨勢，然而并不明顯,支座變形則隨著屈服力的增大顯著降低。

[1] 劉士林,王似舜.斜拉橋設計[M].北京：人民交通出版社,2006.

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2016-05-27；修改日期：2016-05-31

王茲剛(1985-)，男，山東巨野人，廣東省交通規(guī)劃設計研究院股份有限公司工程師．

U448.27；U442.55

A

1673-5781(2016)03-0358-03