劉　鑫，王小松，但莎琦

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶　400074)

大跨徑懸索橋在活載、縱向靜陣風(fēng)、地震荷載等不對(duì)稱(chēng)荷載作用下，加勁梁梁端和索塔塔頂會(huì)產(chǎn)生縱向水平位移[1-2]。隨著交通流量的增大，根據(jù)JTJ 021—89《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[3]設(shè)計(jì)的懸索橋可能出現(xiàn)塔梁相對(duì)位移和塔頂水平位移過(guò)大的現(xiàn)象，造成支座、伸縮縫破壞等病害。為研究大跨徑懸索橋合理的塔、梁縱向加固方式，本文以阿志河大橋?yàn)楣こ瘫尘埃贘TG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[4]開(kāi)展漂浮體系大跨徑懸索橋采用彈性約束體系和限位約束體系在不同荷載工況下的橋梁靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。

1　工程概況

阿志河大橋位于六盤(pán)水市境內(nèi)，是一座預(yù)應(yīng)力混凝土加勁梁懸索橋(見(jiàn)圖1)，主纜計(jì)算矢跨比1/9。主纜跨徑布置為鎮(zhèn)寧岸75 m(無(wú)吊索)、主跨283 m和水城岸90 m(無(wú)吊索)。主纜中心距為14 m，吊索間距為5 m(近塔吊索距塔中心線6.5 m)。大橋設(shè)計(jì)車(chē)輛荷載為汽車(chē)-超20級(jí)，掛車(chē)-120，橋址區(qū)地震烈度屬Ⅵ度。本文采用通用有限元軟件MIDAS/Civil建立阿志河大橋全橋有限元模型，對(duì)索塔與主梁間的連接體系進(jìn)行模擬分析。

圖1　阿志河大橋立面(單位：m)

2　彈性約束體系

為了減小靜力反應(yīng)和地震反應(yīng)作用下主橋產(chǎn)生過(guò)大的梁端位移，在主塔橫梁和主梁之間設(shè)置彈性索，形成彈性約束體系[5]。采用彈性約束體系進(jìn)行靜動(dòng)力分析時(shí)，彈性索的剛度取值對(duì)懸索橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力、梁端位移以及整體抗震性能的影響很大。不同彈性剛度時(shí)，結(jié)構(gòu)在靜力作用下和地震作用下的橋梁響應(yīng)分別見(jiàn)圖2 和圖3。

圖2　不同彈性約束剛度下的橋梁響應(yīng)(靜力作用下)

圖3　不同彈性約束剛度下的橋梁響應(yīng)(地震作用下)

由圖2和圖3可知：

1)隨著塔梁彈性約束剛度的增大，塔梁相對(duì)位移在靜力和地震作用下總體呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。當(dāng)彈性剛度為0～10 kN/mm時(shí)，塔梁相對(duì)位移在各項(xiàng)靜力作用下變化比較明顯，達(dá)到10 kN/mm后，逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)彈性剛度達(dá)到100 kN/mm時(shí)，地震作用下塔梁相對(duì)位移減幅達(dá)73%。

2)升溫與其他靜力荷載工況組合作用有利于塔底受力，塔底彎矩隨塔梁彈性剛度的增大而減小。當(dāng)彈性剛度達(dá)到30 kN/mm時(shí)，塔底彎矩減幅達(dá)47%；在降溫與其他靜力荷載工況組合作用下，塔底彎矩隨塔梁彈性約束剛度的增大而增加，彈性剛度在5 kN/mm左右塔底彎矩出現(xiàn)最小值。在地震作用下，彈性剛度達(dá)到50 kN/mm后，塔底彎矩變化趨于平穩(wěn)，在20 kN/mm左右，塔底彎矩出現(xiàn)最小值。

根據(jù)分析結(jié)果可知，主塔橫梁和主梁之間的彈性索剛度取15 kN/mm時(shí)，不僅可以減小塔梁相對(duì)位移，而且可以兼顧索塔受力。

3　阻尼限位約束

阻尼限位約束體系為動(dòng)力阻尼和額定行程量的彈性限位組合的結(jié)構(gòu)體系?？紤]到2個(gè)索塔與主梁之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的非同步性，結(jié)合主梁與索塔橫梁的構(gòu)造形式，在鎮(zhèn)寧岸及水城岸主梁端部與索塔橫梁處縱向布置2個(gè)限位阻尼器(全橋共計(jì)4個(gè))。

3.1　限位阻尼器額定行程(初始間隙)的確定

限位阻尼器的額定行程是控制荷載組合效應(yīng)的重要參數(shù)，應(yīng)盡可能取小值以有效抑制主梁端部的縱向位移，控制伸縮縫的位移量。當(dāng)前鎮(zhèn)寧岸及水城岸主梁端部均無(wú)縱向約束，不考慮限位阻尼器時(shí)，主梁端部相對(duì)于索塔橫梁的縱向位移如表1所示。

表1　各靜力荷載工況下塔梁相對(duì)水平位移　mm

由表1可知，無(wú)縱向約束時(shí)兩岸主梁端部位移在靜力工況組合下最大相對(duì)位移均超過(guò)200 mm，遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)水平位移量80 mm。為此，擬定各限位阻尼器的額定行程(初始間隙)為30 mm，通過(guò)靜力、地震反應(yīng)確定限位阻尼器的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

3.2　限位阻尼器彈性剛度參數(shù)分析

在荷載作用下，當(dāng)主梁端部與索塔橫梁的相對(duì)位移達(dá)到額定行程(初始間隙)后，阻尼器進(jìn)入彈性限位狀態(tài)[6]。此時(shí)，阻尼器的彈性剛度開(kāi)始約束主梁與橋塔橫梁的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該狀態(tài)下塔梁連接裝置的作用相當(dāng)于一個(gè)具有初始間隙的非線性彈簧。

在布置限位阻尼器后，阻尼器彈性剛度取值對(duì)靜力反應(yīng)的影響見(jiàn)圖4，其中，塔頂縱向位移、主梁端部相對(duì)位移、塔底彎矩由公路-Ⅰ級(jí)、人群荷載、升溫和制動(dòng)力共同作用時(shí)經(jīng)非線性分析計(jì)算得到。

圖4　阻尼器彈性剛度取值對(duì)靜力反應(yīng)的影響

由圖4可知，限位阻尼器的彈性剛度為0～100 kN/mm 時(shí)，主梁端部與索塔相對(duì)位移變化非常劇烈，隨后則趨于平坦。塔頂位移及塔底彎矩隨彈性剛度變化趨勢(shì)與塔梁相對(duì)位移變化趨勢(shì)保持一致。隨著限位阻尼器彈性剛度的增大，鎮(zhèn)寧岸塔頂縱向位移變大，而水城岸塔頂縱向位移變小，總體變化幅值較小，不超過(guò)8%。水城岸塔底彎矩變化幅度較小，鎮(zhèn)寧岸塔底彎矩減小的趨勢(shì)較為顯著，當(dāng)彈性剛度達(dá)到100 kN/mm后，減幅達(dá)34%。主梁端部相對(duì)位移減小的趨勢(shì)明顯，當(dāng)彈性剛度達(dá)到100 kN/mm后，兩岸兩端位移減幅達(dá)82%。

根據(jù)分析結(jié)果可知，阻尼器彈性剛度取30 kN/mm時(shí)，可以減小靜力作用下塔梁相對(duì)位移以及塔底彎矩。

3.3　限位阻尼器阻尼系數(shù)分析

黏滯型阻尼裝置是一種速度相關(guān)型阻尼裝置，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]，其輸出方程為

F=CVα

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)。

阻尼系數(shù)取值對(duì)地震反應(yīng)的影響見(jiàn)圖5。

圖5　阻尼系數(shù)取值對(duì)地震反應(yīng)的影響

由圖5可知：

1)當(dāng)α一定時(shí)，隨著C的增大，塔頂位移和塔梁相對(duì)位移總體減小。當(dāng)C>1 500 [kN/(m/s)α]時(shí)，塔頂位移塔梁相對(duì)位移變化趨緩，塔頂位移減幅超過(guò)28%，塔梁相對(duì)位移位移減幅超過(guò)69%；

2)當(dāng)α一定時(shí)，塔底彎矩隨C的增大呈先減小后增加的趨勢(shì)，C在750 [kN/(m/s)α]左右時(shí)，塔底彎矩達(dá)到最小值；主塔塔底彎矩最大值與最小值之比大于1.632；

3)當(dāng)C一定時(shí)，α越小，塔梁相對(duì)位移越小，三者數(shù)值相差總體也越小。而塔頂位移在C達(dá)到2 000 [kN/(m/s)α]后趨于一致；

4)當(dāng)C一定時(shí)，α越小，阻尼力越大，三者數(shù)值相差也越大；

5)當(dāng)C<750 [kN/(m/s)α]時(shí)，α越大，主塔塔底彎矩越大；當(dāng)C>750 [kN/(m/s)α]時(shí)，α越大；主塔塔底彎矩越小。

兼顧懸索橋塔底受力和梁端位移的原則，根據(jù)分析結(jié)果初步選取單個(gè)阻尼器的動(dòng)力設(shè)計(jì)參數(shù)為阻尼系數(shù)C=1 000 [kN/(m/s)α]，速度指數(shù)α=0.4。

4　塔梁縱向連接方式性能比較

阿志河大橋?yàn)樽枘嵯尬患s束體系、彈性約束體系和漂浮體系時(shí)的靜動(dòng)力效應(yīng)的綜合比較見(jiàn)表2。

表2　2種約束體系與漂浮體系的綜合比較

由表2可知:

1)就靜力效應(yīng)而言,阻尼限位約束體系和彈性約束體系對(duì)于橋梁各項(xiàng)響應(yīng)值幾乎一致，2種約束體系與漂浮體系相比，塔梁相對(duì)水平位移減小幅度超過(guò)74%，塔頂水平位移和塔底彎矩也有一定程度的減小。

2)就地震效應(yīng)而言,阻尼限位約束體系與彈性約束體系、漂浮體系相比，塔梁相對(duì)水平位移減小幅度超過(guò)46%，塔底彎矩減小幅度超過(guò)30%。同時(shí)，阻尼限位約束體系裝置約束力約為彈性約束體系的46%，減小了主塔在地震反應(yīng)中的受力。

5　結(jié)論

1)對(duì)于阿志河大橋而言，漂浮體系不是一種理想的結(jié)構(gòu)體系，其在靜力和地震反應(yīng)中均產(chǎn)生較大的塔梁相對(duì)水平位移及塔底彎矩。

2)阻尼限位約束體系和彈性約束體系均能有效地降低塔梁相對(duì)水平位移和塔底彎矩。

3)與彈性約束體系相比，阻尼限位約束體系在地震反應(yīng)中橋梁各關(guān)注項(xiàng)目的響應(yīng)值均較小，同時(shí)有效提高了橋梁剛度、改善了結(jié)構(gòu)阻尼。雖然彈性約束造價(jià)低廉，經(jīng)濟(jì)性較好，阻尼限位約束制造和維護(hù)困難，但阻尼限位約束在靜力反應(yīng)中允許一定的自由位移，考慮到主塔受力，在新橋設(shè)計(jì)與梁端相對(duì)水平位移過(guò)大的舊橋加固項(xiàng)目中推薦使用阻尼限位約束體系。

[1]肖汝誠(chéng).橋梁結(jié)構(gòu)體系[M].北京：人民交通出版社,2013.

[2]齊東春,汪洪星.空間纜索懸索橋主纜扭轉(zhuǎn)的模型試驗(yàn)[J].鐵道建筑，2016,56(2):14-17.

[3]交通部公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.JTJ 021—1989公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,1989.

[4]中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.JTG D60—2015公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2015.

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[6]徐利平,張喜剛,裴岷山,等.蘇通大橋主橋結(jié)構(gòu)體系研究[C]//中國(guó)公路學(xué)會(huì)橋梁和結(jié)構(gòu)工程分會(huì)2004年全國(guó)橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京：人民交通出版社，2004:20-25.

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