李思潤，田英俠

(西安工業(yè)大學 建筑工程學院，西安 710021)

近年來隨著大震級地震頻繁出現，距離震中較遠且自振周期較長的大跨徑橋梁遭到了很大破壞[1]。通過研究發(fā)現，造成這種現象的原因是斷層破裂釋放的地震在向遠方傳遞時包含豐富的長周期成分，且由于共振效應的存在使大跨徑橋梁產生超過設計地震的響應，故有必要針對遠場地震下大跨徑橋梁采取措施，防止梁體位移過大等病害出現。

為使斜拉橋等大跨徑橋梁在遠場地震中免遭破壞而使用加大截面等方式，這些方式明顯缺乏經濟性，故需要對結構進行控制[2-3]。結構控制中成熟且經濟的是被動控制，其主要是通過隔震支座及阻尼器等裝置實現的。

文獻[4]對一種新型隔震支座進行研究，發(fā)現此裝置能同時實現剛性支撐、水平柔度及耗能等功能，可有效降低橋梁地震響應，然而成本較高。文獻[5]通過對鉛芯橡膠支座的性能進行研究，發(fā)現其在輸入地震水平較大時滯回曲線穩(wěn)定并顯著表現出雙線性恢復力的特性，因此該支座計算模型采用雙線性模型更為合理。文獻[6-8]對黏滯阻尼器的應用進行研究，由于其參數由頻率決定故其計算模型采用Maxwell模型模擬更為合理，且采用該裝置可顯著降低普通地震作用時大跨徑橋梁的位移及內力響應。

文獻[9]對比分析了彈性拉索、軟鋼阻尼器及黏滯阻尼器對大跨橋梁地震響應的控制效果，發(fā)現彈性拉索與軟鋼阻尼器對塔梁相對位移控制效果較好，黏滯阻尼器不會增大塔底內力。文獻[10]研究了安裝不同減震裝置的斜拉橋在普通地震作用時的減震效果，發(fā)現減震裝置參數會對橋梁結構的地震響應產生較大影響。

關于大跨徑橋梁在地震時使用被動控制裝置的研究已取得了較多成果，較少涉及到如遠場地震等特殊地震作用下大跨徑橋梁的響應及采用減隔震裝置時參數對響應結果影響的研究，因此本文以一座雙塔斜拉橋為對象，采用鉛芯橡膠支座及黏滯阻尼器對其進行遠場地震作用下的參數優(yōu)化，探究減震裝置參數變化對斜拉橋遠場地震響應結果的影響，并對比兩種裝置的減震效率。

1 工程背景

本文以某主跨為232 m的雙塔斜拉橋為研究對象，橋址區(qū)設防烈度為Ⅵ度，Ⅱ類場地。該橋全橋采用混凝土材料，按半漂浮體系設置。利用Midas/civil軟件建立該橋的有限元模型如圖1所示，其中主梁與主塔分別采用梁單元，斜拉索采用桁架單元。

圖1 雙塔斜拉橋有限元模型

通過對該橋進行動力特性分析可以得到，該橋一階自振頻率為0.284 Hz，自振周期較大。同時通過振型分析可以判斷本橋一階模態(tài)表現為主梁縱漂。

2 地震動選取

本文選取了3條典型的遠場地震對斜拉橋進行激勵，同時選取一條普通地震作為對比分析，地震動基本信息見表1。

表1 地震動基本信息

兩類地震動的加速度時程曲線與傅里葉譜如圖2～3所示。通過對圖2～3進行分析可以得到，遠場地震記錄持時均較長，平均達到了普通地震的3倍左右，同時可以觀察到遠場地震的傅里葉譜峰值主要集中于0.5 Hz左右的范圍，而普通地震集中于大于1 Hz的范圍。

圖2 加速度時程曲線Fig.2 Acceleration-time curve

圖3 傅里葉譜Fig.3 Fourier spectrum

3 遠場地震斜拉橋響應分析

由于該斜拉橋為半漂浮體系，故僅對本橋進行縱向地震響應分析。分別采用以上所選的3條遠場及1條普通地震對斜拉橋進行地震響應時程分析，關鍵部位響應見表2。

由表2可以觀察到，在遠場地震動的作用下斜拉橋的梁端及塔頂位移值明顯較普通地震作用時增大，其平均值可達普通地震作用時的8倍之多，此時極易造成斜拉橋主梁與引橋梁體碰撞進而導致落梁，因此需要對這一現象充分重視。同樣由表2可以發(fā)現，在遠場地震作用時斜拉橋塔底的內力也較普通地震時有所增大，剪力及彎矩平均達到普通地震作用結果的2倍左右，由于斜拉橋橋塔對于橋梁整體結構起至關重要的作用，因此對于塔底內力增大的現象也不容忽視。

通過對比表2斜拉橋響應結果可以發(fā)現，該橋的位移響應對于遠場地震的作用更為敏感。故需要對遠場地震作用下的斜拉橋進行減隔震以降低遠場地震作用下橋梁的響應值。

表2 斜拉橋關鍵部位地震響應

4 斜拉橋遠場地震響應減震優(yōu)化

本文分別采用鉛芯橡膠支座及黏滯阻尼器對遠場地震作用下的斜拉橋進行減隔震，優(yōu)化減震裝置參數使遠場地震下斜拉橋響應降低。

4.1 鉛芯橡膠支座參數優(yōu)化

鉛芯橡膠支座是在板式橡膠支座中加入了鉛芯而制成的，具有受力作用后恢復初始力學性能的特性。根據文獻[11]的研究發(fā)現，鉛芯直徑決定了鉛芯橡膠支座的整體性能?；诖?，本文選擇鉛芯直徑作為研究對象，通過設定9種不同鉛芯直徑的支座對斜拉橋進行隔震分析。支座參數見表3。此處進行分析時選擇ILA004波作為遠場地震的代表進行激勵，取表3所示的鉛芯橡膠支座參數優(yōu)化斜拉橋的位移及內力響應。

圖4～5給出了梁端及塔頂位移隨鉛芯橡膠支座鉛芯直徑變化的曲線。從圖4～5中可以看到，梁端及塔頂位移隨鉛芯直徑變化趨勢相近，均隨鉛芯直徑的增大而不斷減小，且鉛芯直徑較小時位移降低幅度相對較小，而在鉛芯直徑增大至223 mm時位移降低幅度增大，并在鉛芯直徑達到267 mm時趨于穩(wěn)定，此時位移平均減震率達到63%左右。

表3 鉛芯橡膠支座參數

圖4 鉛芯直徑對梁端位移的影響曲線Fig.4 Influence curve of lead core diameter on beam end displacement

圖5 鉛芯直徑對塔頂位移的影響曲線Fig.5 Influence curve of lead core diameter on tower top displacement

圖6～7給出了塔底剪力與彎矩隨鉛芯橡膠支座鉛芯直徑變化的曲線。從圖6中可以發(fā)現塔底剪力先隨鉛芯直徑增大而均勻減小，鉛芯直徑大于245 mm時塔底剪力值出現較大幅度的下降，并在鉛芯直徑為261 mm時達到最小值10 282.8 kN，隨后鉛芯直徑增大，剪力值呈現迅速增加趨勢，總體而言塔底剪力的變化幅度并不大。從圖7可以觀察到塔底彎矩隨鉛芯直徑變化趨勢與位移響應相近，最終穩(wěn)定在420 000 kN·m左右。

通過對以上9種工況分析，確定了鉛芯直徑為275 mm，采用此參數鉛芯橡膠支座的斜拉橋在以上3條遠場地震作用時關鍵部位的響應結果見表4。

通過對表4分析可以看到，安裝選定參數的鉛芯橡膠支座可以使遠場地震作用下斜拉橋的位移響應明顯降低，平均可達62%。在塔底內力方面減震效率相對較低。通過對比可以注意到鉛芯橡膠支座在ILA056波作用時塔底剪力減震率較低，這一現象說明當地震波具有較為特殊的頻譜特性時，鉛芯橡膠支座對塔底剪力減震效果較差。

圖6 鉛芯直徑對塔底剪力的影響曲線Fig.6 Influence curve of lead core diameter on tower bottom shear force

圖7 鉛芯直徑對塔底彎矩的影響曲線Fig.7 Influence curve of lead core diameter on tower bottom bending moment

表4 安裝選定參數鉛芯橡膠支座斜拉橋響應結果

4.2 黏滯阻尼器參數優(yōu)化

黏滯阻尼器是速度相關型的減震裝置，其通過內部液體與外壁摩擦消耗能量。影響?zhàn)枘崞餍阅艿闹饕獏禐樽枘嵯禂礐和速度指數α，故本文選擇阻尼系數與速度指數為研究對象，進行黏滯阻尼器參數設置，對斜拉橋進行減震分析。阻尼器的參數組合見表5。

表5 黏滯阻尼器參數

此處進行分析時同樣選擇ILA004波作為遠場地震的代表進行激勵，取表5所示阻尼器參數優(yōu)化斜拉橋的位移及內力響應。

圖8～9給出了不同速度指數時梁端及塔頂位移隨阻尼系數變化的曲線。從圖8～9可看出，速度指數一定時位移響應先隨阻尼系數增大而降低，不同速度指數下位移值降至最低點時均會出現反向增加，增加規(guī)律呈現為速度指數越小，位移響應增加幅度越大。塔頂位移受影響曲線同梁端位移規(guī)律基本一致。通過對比可以觀察到在不同參數組合下梁端位移最低可降至68.5 mm，塔頂位移值最低可降至102.1 mm。

圖8 阻尼器參數對梁端位移的影響曲線Fig.8 Influence curve of damper parameters on beam end displacement

圖9 阻尼器參數對塔頂位移的影響曲線Fig.9 Influence curve of damper parameters on tower top displacement

圖10～11給出了不同速度指數時塔底剪力與彎矩隨阻尼系數變化曲線。從圖10～11可看出，當阻尼系數小于0.4×104kN·s·m-1時，在速度指數一定時塔底的剪力與彎矩均會隨阻尼系數增大而減小，塔底剪力減小幅度較小。在阻尼系數大于0.4×104kN·s·m-1后，任何速度指數下的塔底剪力都會表現出不同程度的增加，而塔底彎矩在速度指數為0.9時一直減小并趨于穩(wěn)定。

圖10 阻尼器參數對塔底剪力的影響曲線Fig.10 Influence curve of damper parameters on tower bottom shear force

圖11 阻尼器參數對塔底彎矩的影響曲線Fig.11 Influence curve of damper parameters on tower bottom bending moment

通過對以上工況進行分析，選取速度指數為0.4，阻尼系數為4 000 kN·s·m-1。采用此黏滯阻尼器參數的斜拉橋在以上3條遠場地震作用時關鍵部位的響應結果見表6。

表6 安裝選定參數黏滯阻尼器斜拉橋響應結果

通過對表6進行分析可以看到，安裝選定參數的黏滯阻尼器可以使遠場地震作用下斜拉橋的位移響應顯著降低，塔底剪力與彎矩明顯降低。

5 結 論

通過對遠場地震作用時布置于斜拉橋的鉛芯橡膠支座及黏滯阻尼器進行參數優(yōu)化可得出以下結論：

1) 鉛芯橡膠支座鉛芯直徑設置為275 mm時，斜拉橋可以達到均衡的最優(yōu)狀態(tài)，在一些特殊頻譜特性的地震作用下鉛芯橡膠支座對內力響應的減震效果較差。

2) 黏滯阻尼器的速度指數設定為0.4，阻尼系數設定為4 000 kN·s·m-1時，采用黏滯阻尼器進行減震的拱塔斜拉橋可以在位移與內力響應方面均取得最優(yōu)的減震效果。

3) 安裝黏滯阻尼器或鉛芯橡膠支座均可降低遠場地震作用下斜拉橋梁端、塔頂的縱向位移及塔底的彎矩、剪力，且采用黏滯阻尼器降低位移及內力響應的效果優(yōu)于采用鉛芯橡膠支座時的效果。