黃庭森

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司, 北京 102600)

現(xiàn)代斜拉橋起步于20世紀(jì)30年代，其跨越能力大、造型美觀、施工方便，逐步在世界范圍內(nèi)獲得了較大的發(fā)展。國內(nèi)鐵路斜拉橋起步較晚但發(fā)展迅速，21世紀(jì)以來先后設(shè)計和建造了武漢天心洲長江大橋(主跨504 m)、韓家沱長江大橋(主跨432 m)、滬通長江大橋(主跨1 092 m)等40余座鐵路和公鐵兩用斜拉橋。由于斜拉橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且大跨斜拉橋一般都是鐵路全線的控制性工程，一旦在地震中遭到破壞，其損傷修復(fù)困難，將會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響。因此，對于大跨度鐵路斜拉橋的抗震性能及減隔震技術(shù)的研究顯得尤為重要。國內(nèi)學(xué)者對大跨度鐵路斜拉橋的地震響應(yīng)進(jìn)行了相關(guān)研究[1-4]，從地震響應(yīng)角度表明大跨公鐵兩用斜拉橋宜采用半漂+阻尼體系，并應(yīng)綜合考慮地震及列車制動作用選取阻尼器參數(shù)。但針對高速鐵路大跨度鋼桁梁斜拉橋，在基于地震響應(yīng)及經(jīng)濟(jì)成本下的體系比選、不同減震措施比選、粘滯阻尼器參數(shù)分析等方面的研究相對較少。本文以徐鹽鐵路主跨312 m的新洋港斜拉橋?yàn)楸尘?，采用非線性時程分析方法，對不同地震烈度下半漂浮體系、支承體系結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，摩擦擺支座與粘滯阻尼器的減震效果，粘滯阻尼器參數(shù)對抗震性能的影響等方面進(jìn)行了研究分析，根據(jù)研究成果確定了新洋港斜拉橋合理、經(jīng)濟(jì)的抗震設(shè)計方案。

1 主橋設(shè)計

徐鹽新洋港斜拉橋采用(72+96+312+96+72)m雙塔雙索面鋼桁斜拉橋，全長650.6 m(含梁縫)。主梁采用雙主桁、三角形桁式的鋼桁結(jié)構(gòu)，節(jié)間距12 m，桁高14 m，兩主桁中心距15 m；橋塔采用花瓶狀結(jié)構(gòu)，塔高129 m，主塔每側(cè)設(shè)12對拉索；主橋邊墩和輔助墩均采用拱形雙柱式門式墩。主橋橋面布置見圖1。

圖1 橋式布置(單位：m)

2 兩種體系地震響應(yīng)分析

半漂浮體系為塔墩固結(jié)，塔梁分離，塔處主梁設(shè)豎向支座，其他墩上的支座均不約束縱向位移的結(jié)構(gòu)體系。采用半漂浮體系時，主塔及基礎(chǔ)的內(nèi)力響應(yīng)較小，但梁端位移響應(yīng)較大，結(jié)構(gòu)縱向位移通常不能滿足設(shè)計要求，一般需采取相關(guān)減震措施來限制結(jié)構(gòu)縱向位移。

支承體系為塔墩固結(jié)，塔梁分離，對于雙塔三跨結(jié)構(gòu)，在其中一個塔處支座設(shè)置縱向位移約束，其他墩上的支座均不約束縱向位移。采用支承體系時，梁端位移響應(yīng)較小，但支座縱向水平力、橋塔及基礎(chǔ)的內(nèi)力響應(yīng)較大，導(dǎo)致支座需特殊設(shè)計，基礎(chǔ)規(guī)模增大。

2.1 動力分析模型

基于MIDAS有限元程序，采用非線性時程分析方法，對半漂浮體系、支承體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震響應(yīng)分析。弦桿、腹桿及縱橫梁均采用梁單元模擬，橋面板采用板單元模擬，拉索采用索單元模擬。全橋離散為3 638個節(jié)點(diǎn)，96個索單元、5 492個梁單元、2 160個板單元、6個支承單元。半漂浮體系模型，其邊墩、輔助墩及塔梁間均設(shè)豎向、橫向約束，縱向活動。支承系模型，在1031號主塔塔梁處設(shè)置固定支座，其余邊墩、輔助墩及塔梁間均設(shè)豎向、橫向約束，縱向活動。

2.2 兩種體系的地震響應(yīng)分析

根據(jù) 《徐宿淮鹽鐵路工程場地地震安全性評價報告》提供的地震動參數(shù)，本文選取峰值加速度分別為0.020g(多遇地震)、0.052g、0.100g、0.156g(設(shè)計地震)、0.250g(罕遇地震)的5條地震波作為計算模型地震作用(0.020g、0.100g地震波是基于0.156g地震波按峰值加速度比例縮放)，0.052g、0.156g、0.250g地震波時程曲線如圖2所示。2種體系在不同峰值加速度的地震動激勵下，橋塔塔底彎矩、梁端縱向位移結(jié)果見表1和圖3～圖4所示。

圖2 地震波時程曲線

表1 兩種體系在不同地震波PGA下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)

圖3 塔底縱向彎矩(單位：kN·m)

由表1、圖3～圖4可以看出，各級地震作用下，支承體系塔底彎矩較半漂浮體系最大增大約46%，半漂浮體系梁端縱向位移較支承體系最大增大約360%；半漂浮體系有效降低了塔底彎矩，但梁部地震位移響應(yīng)較大。

2.3 體系比選

圖4 梁端縱向位移(單位：m)

從地震響應(yīng)分析可以看出，半漂浮體系和支承體系各有利弊：半漂浮體系塔底彎矩較小，但需要設(shè)置縱向阻尼器約束地震作用下梁部縱向位移，同時需設(shè)置大位移梁端伸縮裝置；支承體系地震位移響應(yīng)較小，但較大的支座水平力和塔底彎矩將導(dǎo)致支座特殊設(shè)計、基礎(chǔ)規(guī)模增大。

按照本橋孔跨布置，兩種體系主橋兩端均需設(shè)置軌溫調(diào)節(jié)器；在滿足使用功能基礎(chǔ)上，從經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，對比兩種體系因地震響應(yīng)引起的工程增加數(shù)量及費(fèi)用(見表2)。由于本橋位于軟土地區(qū)，設(shè)置減隔震裝置及大位移梁端伸縮裝置的費(fèi)用遠(yuǎn)低于增加基礎(chǔ)規(guī)模的費(fèi)用(支承體系合計成本為半漂浮體系的1.3倍左右)，因此本橋采用半漂浮體系是較為經(jīng)濟(jì)合理的。

表2 兩種體系經(jīng)濟(jì)性對比

3 減隔震裝置比選

摩擦擺支座周期一般為橋梁固有周期的兩倍時，能達(dá)到較好的減隔震效果[5]，同時為了避免摩擦擺支座難以復(fù)位，故其周期范圍為2～6 s。而本橋一階主梁縱飄的自振周期為4.7 s，因此摩擦擺支座并不能在本橋發(fā)揮其最佳減震效果。摩擦擺減隔震支座力學(xué)模型可簡化為雙線性模型，考慮本橋支座噸位(1 750 t)，選取摩擦擺支座參數(shù)如下：支座豎向彈性剛度為1.75×107kN·m-1，滑動前剛度為3.5×105kN·m-1，摩擦系數(shù)取0.05，摩擦系數(shù)變化參數(shù)為25 s·m-1，摩擦面曲率半徑為4 m。

粘滯阻尼器力學(xué)模型有線性模型、Maxwell模型、Kelvin模型和Wiechert模型[6-7]。本文采用Maxwell模型，其阻尼力：

F=CVα

(1)

式中：C為阻尼系數(shù)；V為運(yùn)動速度；α為阻尼指數(shù)。

選取阻尼系數(shù)C=4 000 kN·(m·s-1)α，阻尼指數(shù)α=0.5。采用峰值加速度分別為0.020g、0.052g、0.100g、0.156g、0.250g的5條地震波作為激勵沿縱橋向輸入，分析橋塔塔底彎矩、梁端節(jié)點(diǎn)縱向位移的減震效率(各指標(biāo)響應(yīng)值/半漂浮體系結(jié)果)，值越大則減震效果越好。不同減震措施在不同地震波激勵下各指標(biāo)的響應(yīng)情況見表3，各指標(biāo)的減震率對比見圖5。

表3 兩種減震措施在不同地震波下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)

由表3可以看到，各級地震作用下，粘滯阻尼器方案塔底彎矩、梁端縱向位移最大值均比摩擦擺隔震支座方案小，其中在PGA=0.156g(本橋設(shè)計地震)的地震作用下，粘滯阻尼器方案梁端最大縱向位移為0.179 m，摩擦擺支座方案梁端最大縱向位移為0.459 m。由圖5可知，粘滯阻尼器對塔底彎矩及梁端位移的減震率基本在40%以上，而摩擦擺支座減震率僅在10%左右。

圖5 塔底縱向彎矩/梁端縱向位移減震率

綜上，各級地震作用下，摩擦擺支座減震效率低、梁端位移控制效果差，仍需設(shè)置較大位移的梁端伸縮裝置，因此本橋減震措施首選為粘滯阻尼器方案。

4 阻尼器參數(shù)分析

本節(jié)選取不同的阻尼指數(shù)與阻尼系數(shù)，研究兩參數(shù)對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。阻尼系數(shù)分別取2 000、3 000、4 000、5 000、6 000、8 000、10 000、12 000、14 000 kN·(m·s-1)α，阻尼指數(shù)分別取0.2、0.4、0.5、0.6、0.8，共45種情況，塔底彎矩、梁端縱向位移隨阻尼指數(shù)、阻尼系數(shù)的變化規(guī)律見圖6～圖7。

圖6 塔底彎矩變化

圖7 梁端縱向位移變化

由圖6～圖7可得：①塔底彎矩隨著阻尼系數(shù)的增加，總的趨勢是先減小后增大，阻尼指數(shù)越小，塔底彎矩變化拐點(diǎn)對應(yīng)的阻尼系數(shù)越小。②梁端縱向位移隨著阻尼系數(shù)的增大而減小，隨著阻尼指數(shù)的增大而增大。③單純從減震效果來看，粘滯阻尼器阻尼指數(shù)應(yīng)選α=0.4，阻尼系數(shù)應(yīng)選內(nèi)力變化拐點(diǎn)所對應(yīng)值C=8 000 kN·(m·s-1)α。

5 結(jié)束語

(1)本文對支承體系和半漂浮體系的橋塔基礎(chǔ)及減震措施成本進(jìn)行了對比，由于本橋位于軟土地區(qū)，設(shè)置減隔震裝置及大位移梁端伸縮裝置的費(fèi)用遠(yuǎn)低于增加基礎(chǔ)規(guī)模的費(fèi)用，因此本橋選擇半漂浮體系。

(2)粘滯阻尼器對塔底彎矩及梁端位移的減震效果顯著：各級地震作用下，其減震率均在40%以上；而摩擦擺支座對各指標(biāo)的減震率在10%左右，減震效果并不明顯。故本橋選擇粘滯阻尼器作為減震措施。

(3)雖然梁端縱向位移隨著阻尼系數(shù)的增大而不斷減小，但當(dāng)阻尼系數(shù)大于8 000 kN·(m·s-1)α?xí)r，曲線趨于平緩。其次，阻尼系數(shù)應(yīng)選擇為塔底彎矩曲線最低點(diǎn)所對應(yīng)的值，因此從計算結(jié)果來看，本橋阻尼系數(shù)應(yīng)選為C=8 000 kN·(m·s-1)α，阻尼指數(shù)為α=0.4。但綜合目前廠家所能制造的阻尼器噸位及經(jīng)濟(jì)成本考慮，本橋建議粘滯阻尼器參數(shù)為C=4 000 kN·(m·s-1)α，阻尼指數(shù)α=0.2。

針對本橋橋址所在地屬于高烈度地震區(qū)且為軟土工程地質(zhì)等特點(diǎn)，通過經(jīng)濟(jì)性比選，本橋結(jié)構(gòu)體系為半漂浮體系，并設(shè)置縱向粘滯阻尼器對主梁縱向位移進(jìn)行控制。