海 航

(合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

斜拉橋由梁、塔索和墩的不同組合構成了四種不同的體系結構:塔梁固結、半漂浮、漂浮和鋼構。其中,半漂浮體系斜拉橋受溫度和徐變影響較小,有利于減震耗能,因此在大跨徑斜拉橋中應用廣泛[1,2]。研究表明，主塔抗震薄弱部位常位于塔底,一旦進入塑性狀態(tài),塔頂位移很大,難以繼續(xù)使用;在縱橋向,大跨徑半漂浮體系斜拉橋在強震作用下梁端會產(chǎn)生較大縱向位移,引發(fā)主梁與相鄰跨引橋的碰撞,造成災害。為同時防止落梁震害并保持橋塔處于彈性狀態(tài),最常用的做法是增設縱向黏滯阻尼器[3，4]。

1 工程背景與分析模型

1.1 工程概況

某大橋采用非對稱雙塔鋼箱梁雙索面斜拉橋,跨徑布置為(100+225+105) m=430 m,標準橫斷面寬度為46 m,主梁采用PK箱型斷面,橫隔板間距3 m;塔柱采用帶X撐H型C50混凝土橋塔,高82.45 m,主跨及邊跨均設置11對斜拉索,主跨及邊跨鋼梁側斜拉索梁上標準索距為9 m,斜拉索采用標準強度1 860 MPa鋼絞線體系;兩側過渡墩均采用三柱式橋墩,塔柱及橋墩采用承臺接群樁基礎,樁基采用鉆孔灌注樁,按摩擦樁設計。

1.2 有限元模型

本文采用SAP2000軟件建立如圖1所示的全橋三維結構分析動力模型,主梁、橋塔以及過渡墩均采用空間梁單元模擬,斜拉索采用只考慮受拉桁架單元模擬并根據(jù)成橋索力對斜拉索的材料彈性模量進行Ernst修正;主橋采用半漂浮體系結構,支座布置如圖2所示。

圖1 全橋動力分析模型

圖2 支座布置圖

樁土共同作用是采用在承臺底加6個方向的彈簧來模擬樁基礎的作用,彈簧的剛度根據(jù)樁基礎所在土層的狀況和樁的布置形式按靜力等效原則確定,由土層資料確定m值。

1.3 地震波的選擇與輸入

根據(jù)《公路橋梁抗震設計細則》(JTG/T B02-01-2008)[5](以下簡稱細則)第5.2.1款,水平設計加速度反應譜可由式1確定:

(1)

本文采用7條E2人工地震波用于分析,人工地震波反應譜與設計反應譜匹配情況如圖3所示,分析結果取7條波的平均值來考慮以消除誤差,在非線性時程分析時,采用縱向+豎向的地震輸入方式,其中豎向地震根據(jù)細則采用水平地震折減的方式獲得。

圖3 人工地震波與設計反應譜匹配

2 計算結果分析

2.1 阻尼器的應用效果分析

本橋在縱橋向為半漂浮體系結構,在主梁與橋塔交界處設置縱向黏滯阻尼器能夠限制主梁位移,并降低截面的地震響應。本文分析了有阻尼器和無阻尼器兩種工況,有阻尼器是在塔梁交界處分別設置2個縱向黏滯阻尼器,對比有無阻尼器時關鍵部位位移和內(nèi)力。

縱向黏滯阻尼器采用基于Maxwell非線性力學模型的Damper單元來模擬其力學特性,力學本構關系為:

F=C|v|asgn(v)

(2)

式中:C為阻尼系數(shù);v為活塞運動速度;α為阻尼指數(shù)。

阻尼器參數(shù)取阻尼系數(shù)為1 500 kN/(m/s)和阻尼指數(shù)為0.3用于分析對比。本文重點以2個橋塔底南北兩側截面為內(nèi)力分析對象，以2個橋塔頂點為位移分析對象，計算結果見表1和表2。

表1 塔底截面內(nèi)力對比

表2 塔頂節(jié)點位移對比

由表1和表2可知,在E2縱向+豎向地震作用下,2#橋塔無論是塔頂節(jié)點位移還是塔底截面內(nèi)力均比1#橋塔大,因此2#橋塔應為最不利部位。布置縱向黏滯阻尼器能夠明顯降低橋塔底截面內(nèi)力和塔頂節(jié)點的縱橋向位移,其中塔底截面剪力最大能減少31.47%;塔底截面彎矩最大能減少37.20%;塔頂節(jié)點縱橋向位移最大能降低59.96%。因此,布置縱向黏滯阻尼器對橋塔內(nèi)力和位移響應的減震效果非常明顯。

2.2 阻尼器參數(shù)優(yōu)化分析

由上式(2)可知,阻尼常數(shù)C和阻尼指數(shù)α對阻尼器減隔震效果影響最大。為進一步優(yōu)化阻尼器減隔震效果,本文選取阻尼系數(shù)C范圍為100～8 000 kN/(m/s);阻尼指數(shù)α分別為0.3、0.5和0.8。隨著縱向黏滯阻尼器參數(shù)的變化,關鍵部位的位移和內(nèi)力呈現(xiàn)出規(guī)律變化。

如圖4所示,當阻尼指數(shù)α一定時,橋塔塔頂節(jié)點位移隨阻尼系數(shù)C的增大而增加,但當阻尼系數(shù)C增大到500 kN/(m/s)后,阻尼系數(shù)對塔頂位移的影響逐漸變小;當阻尼系數(shù)C不變時,阻尼指數(shù)α越小則塔頂節(jié)點位移越小,減隔震效果越顯著。

圖4 阻尼參數(shù)對塔頂節(jié)點位移的影響

如圖5所示,2#橋塔塔底彎矩始終比1#橋塔塔底彎矩大;當α=0.3時,塔底彎矩隨阻尼系數(shù)先減小,在阻尼系數(shù)增大到300 kN/(m/s)后,塔底截面彎矩逐漸增大;當α=0.5時,塔底彎矩隨阻尼系數(shù)先減小,在阻尼系數(shù)增大到5 000 kN/(m/s)后,塔底截面彎矩逐漸增大;當α=0.8時,塔底截面彎矩隨阻尼系數(shù)的增大而一直減小。

圖5 阻尼參數(shù)對塔底截面彎矩的影響

3 結 論

通過分析對比上述計算結果,可以得出以下結論:

(1)在E2縱向+豎向地震作用下,布置縱向黏滯阻尼器對橋塔內(nèi)力和位移響應的減震性能顯著,塔底截面剪力最大能減少31.47%;塔底截面彎矩最大能減少37.20%;塔頂節(jié)點縱橋向位移最大能降低59.96%。

(2)隨著縱向黏滯阻尼器參數(shù)的變化,關鍵部位的位移和內(nèi)力呈現(xiàn)出規(guī)律變化。為進一步優(yōu)化阻尼器減隔震效果,綜合考慮阻尼系數(shù)C和阻尼指數(shù)α對塔頂節(jié)點位移和塔底截面彎矩的影響后,本文認為本橋阻尼器參數(shù)選取為:阻尼系數(shù)C=5 000 kN/(m/s)、阻尼指數(shù)α=0.3時,其減隔震性能達到最優(yōu)。