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        高烈度區(qū)獨(dú)塔自錨式懸索橋縱向減震體系研究

        2022-05-20 09:04:42莊鑫
        關(guān)鍵詞:錨式梁端懸索橋

        莊鑫

        (上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海200125)

        1 引言

        自錨式懸索橋不需要設(shè)置龐大的重力式地錨,對不同地質(zhì)條件有很好的適應(yīng)性[1],在100~600 m 跨徑范圍均有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。獨(dú)塔自錨式懸索橋以其優(yōu)美的造型、靈活的布置性和良好的適用性備受橋梁建設(shè)者的青睞。特別是對于城市景觀要求較高,主跨跨徑在100~300 m 的橋梁中,獨(dú)塔自錨式懸索橋正在越來越多地被應(yīng)用。

        與地錨式懸索橋不同,自錨式懸索橋在纜—塔—梁三者的傳力路徑與約束關(guān)系上更貼近斜拉橋[2],在地震作用下,梁體的慣性力主要通過主纜以及塔—梁、墩—梁間連接傳遞給橋塔和橋墩再傳至基礎(chǔ)。因此,自錨式懸索橋的地震反應(yīng)及抗震性能與其結(jié)構(gòu)體系密切相關(guān)。

        目前,國內(nèi)外學(xué)者對獨(dú)塔自錨式懸索橋的縱向減震體系進(jìn)行了一定的研究。管仲國等[3]以南京江心洲大橋?yàn)槔芯苛霜?dú)塔自錨式懸索橋采用彈塑性阻尼器作為減震裝置的適用性,研究表明彈塑性阻尼器可以非常有效地用于自錨式懸索橋減隔震設(shè)計(jì);王宇等[4]以平勝大橋?yàn)槔?,研究了?dú)塔自錨式懸索橋的減震體系,研究表明,大跨度自錨式懸索橋適合采用飄浮體系,在懸索橋塔梁結(jié)合部設(shè)置了摩擦擺式支座能夠滿足結(jié)構(gòu)的隔震需要;張超等[5]以鼓山大橋?yàn)槔?,研究了?dú)塔自錨式懸索橋縱向設(shè)置黏滯阻尼器的減震效果,研究表明,在主橋縱橋向安裝黏滯阻尼器可以有效地改善結(jié)構(gòu)的變形及位移,改善結(jié)構(gòu)特別是關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部分的受力,使結(jié)構(gòu)更為合理。

        盡管目前針對自錨式懸索橋縱向減震體系國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了一些研究,但是由于高烈度區(qū)自錨式懸索橋建設(shè)經(jīng)驗(yàn)較少,針對高烈度區(qū)自錨式懸索橋抗震性能研究及減隔震設(shè)計(jì)尚顯不足。為此,本文以某擬建蘭州黃河大橋?yàn)楸尘?,研究高烈度區(qū)獨(dú)塔自錨式懸索橋縱橋向減震體系,并對減震裝置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

        2 工程案例

        2.1 工程概況

        本文以某擬建蘭州黃河大橋?yàn)楣こ瘫尘?。該橋主橋?yàn)楠?dú)塔自錨式懸索橋,主塔為四立柱橋塔,主橋跨徑布置為41 m+110 m+200 m+26 m(見圖1),橋面全寬44 m。主梁主跨200 m與配跨26 m 為鋼箱梁結(jié)構(gòu),單箱三室截面,標(biāo)準(zhǔn)梁高為3.2 m。主梁邊跨110 m 與配跨41 m 為雙疊合梁結(jié)構(gòu),箱室布置與梁高與鋼箱梁段一致。主橋基礎(chǔ)采用群樁基礎(chǔ),為鉆孔灌注樁,主塔樁基樁徑為2.0 m,過渡墩和輔助墩樁基樁徑為1.5 m。

        圖1 主橋立面圖(單位:m)

        2.2 地震動(dòng)輸入

        本文根據(jù)JTG/T 2231-01—2020《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行抗震分析,主橋取阻尼比0.02 時(shí)E2 地震作用下加速度反應(yīng)譜作為水平向和豎向地震輸入,根據(jù)水平向和豎向反應(yīng)譜分別擬合3 條人工時(shí)程曲線,計(jì)算結(jié)果取3 條時(shí)程曲線計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)值。

        擬建橋梁所處的蘭州地區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度,屬高烈度區(qū),設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g。場地類別為Ⅱ類場地,場地特征周期為0.45 s。圖2 為其中一條水平向人工擬合時(shí)程曲線圖示,圖3 為水平向人工時(shí)程曲線擬合反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜對比。

        圖2 水平加速度時(shí)程相位曲線(阻尼比0.02)

        圖3 水平向人工時(shí)程曲線擬合反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜比較

        3 縱向減震體系選擇及模型建立

        3.1 縱向減震體系選擇

        根據(jù)以往的研究及工程經(jīng)驗(yàn)可知,高烈度區(qū)大跨度獨(dú)塔自錨式懸索橋適合采用飄浮體系或半飄浮體系,因?yàn)樗汗探Y(jié)體系會(huì)導(dǎo)致橋塔在地震作用下承擔(dān)幾乎全橋的地震力,對橋塔的抗震安全極其不利,需要增加橋塔及基礎(chǔ)的尺寸,經(jīng)濟(jì)性上也是不可取的。飄浮體系或半飄浮體系下,塔梁之間可以設(shè)置合理的縱向減震裝置,以達(dá)到良好的抗震效果,既能保證橋梁結(jié)構(gòu)安全,又不會(huì)顯著增加造價(jià)。

        獨(dú)塔自錨式懸索橋縱橋向減震體系常用的減震裝置有黏滯阻尼器、金屬阻尼器、摩擦擺式支座等。金屬阻尼器的屈服力和變形能力是一對矛盾,難以同時(shí)滿足大屈服力和大變形能力的需求。由于自錨式懸索橋具有低阻尼的結(jié)構(gòu)特性,黏滯阻尼器擁有更好的耗能能力,應(yīng)用在自錨式懸索橋上會(huì)得到更好的減震效果。此外,自錨式懸索橋的溫度變形較大,黏滯阻尼器的使用不會(huì)對懸索橋的溫度變形等正常使用性能產(chǎn)生不利影響[6]。因此,本文推薦在塔梁之間設(shè)置黏滯阻尼器作為縱向減震體系,墩梁之間縱向設(shè)置普通球鋼支座。

        3.2 橋梁動(dòng)力計(jì)算模型建立

        本文采用有限元程序Midas Civil 建立了獨(dú)塔自錨式懸索橋三維有限元線性分析模型,對成橋狀態(tài)進(jìn)行地震響應(yīng)分析。模型利用空間框架單元模擬主塔、主梁、墩柱,利用只受拉桁架單元模擬主纜及吊索,考慮主塔、主纜及主梁恒載作用對結(jié)構(gòu)剛度的影響;各主塔、橋墩基礎(chǔ)采用六彈簧模擬,基礎(chǔ)剛度由“m 法”確定。

        塔梁之間縱向設(shè)置黏滯阻尼器,黏滯阻尼器采用Maxwell計(jì)算模型進(jìn)行模擬。

        滑動(dòng)型球鋼支座采用滯后系統(tǒng)單元模擬,其恢復(fù)力模型如圖4所示。圖中,F(xiàn)max為滑動(dòng)摩擦力,x為上部結(jié)構(gòu)與墩頂?shù)南鄬ξ灰?,xy為屈服位移。彈性恢復(fù)力最大值與滑動(dòng)摩擦力相等,即:

        圖4 滑動(dòng)支座恢復(fù)力模型

        式中,K為支座初始剛度;f為滑動(dòng)摩擦系數(shù),邊墩與主塔處球形鋼支座的滑動(dòng)摩擦因數(shù)取2%;N為支座恒載反力;屈服位移xy取2 mm。

        4 減震效果分析及減隔震參數(shù)優(yōu)化

        對于縱向飄浮或半飄浮體系,主梁縱向地震位移難以得到有效控制;對于塔梁縱向固定體系,盡管主梁位移可以得到很好的控制,但是橋塔地震力會(huì)十分巨大。本文針對前述減震體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析,與縱飄體系及塔梁固定體系進(jìn)行比較,研究其減震效果,并對減隔震參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。

        4.1 減震體系減震效果分析

        圖5~圖7 給出了縱飄、塔梁縱向固定約束、塔梁間設(shè)置縱向黏滯阻尼器(阻尼系數(shù)C=2×3 000,速度指數(shù)ξ=0.3)3 種約束體系下的梁端地震位移、塔底地震剪力等響應(yīng)結(jié)果。

        圖5 不同約束體系下梁端地震位移響應(yīng)曲線

        圖7 不同約束體系下塔底地震彎矩響應(yīng)曲線

        通過比較上述結(jié)果可知,塔梁縱向飄浮體系下梁端位移和塔底彎矩最大,塔梁縱向固定約束體系下塔底剪力最大而梁端位移最小。與之相比,塔梁間設(shè)置縱向黏滯阻尼器的減隔震體系下,各地震響應(yīng)均得到有效控制,與縱飄體系相比,梁端位移和塔底彎矩減震率達(dá)到50%以上;與塔梁縱向固定體系相比,塔底剪力減震率達(dá)65%。

        圖6 不同約束體系下塔底地震剪力響應(yīng)曲線

        綜上所述,塔梁之間設(shè)置縱向黏滯阻尼器對高烈度區(qū)自錨式懸索橋來說是有效的減震體系。

        4.2 減隔震參數(shù)優(yōu)化分析

        對于黏滯阻尼器而言,選取不同的參數(shù),橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)也不盡相同。為選取合理的阻尼器參數(shù),現(xiàn)對黏滯阻尼器進(jìn)行參數(shù)敏感性分析。

        本文中主塔處設(shè)置2 個(gè)阻尼器,左右各1 個(gè),單個(gè)阻尼器的速度指數(shù)ξ 取值范圍0.2~0.5,阻尼系數(shù)C取值范圍1 000~5 000,位移的單位為m,阻尼力的單位為kN。通過前述縱向+豎向地震輸入下的非線性時(shí)程分析,對設(shè)置不同參數(shù)黏滯阻尼器后結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的地震響應(yīng)進(jìn)行分析比較,以選擇適宜的阻尼器參數(shù)。

        從圖8~圖11 可知,當(dāng)速度指數(shù)從0.2 增大到0.5 時(shí),塔頂位移、梁端位移及塔底彎矩響應(yīng)總體呈增大趨勢,塔底剪力呈減小趨勢,阻尼速度指數(shù)推薦采用ξ=0.2,但整體來看速度指數(shù)影響較小。

        從圖8~圖11 可知,當(dāng)單個(gè)阻尼系數(shù)C從1 000 變化到5 000 時(shí),塔頂位移、梁端位移及塔底彎矩響應(yīng)總體呈減小趨勢,且減小幅度逐漸變緩;塔底剪力呈增大趨勢。綜合考慮地震位移、地震內(nèi)力控制效果及黏滯阻尼器安裝費(fèi)用,阻尼系數(shù)推薦采用C=2×3 000(橫向設(shè)置2 個(gè)阻尼器,單個(gè)阻尼器阻尼系數(shù)取3 000)。

        圖8 塔頂位移響應(yīng)隨阻尼參數(shù)變化圖

        圖9 梁端位移響應(yīng)隨阻尼參數(shù)變化圖

        圖10 塔底剪力響應(yīng)隨阻尼參數(shù)變化圖

        圖11 塔底彎矩響應(yīng)隨阻尼參數(shù)變化圖

        5 結(jié)論

        本文以蘭州市某擬建獨(dú)塔自錨式懸索橋?yàn)楸尘?,分析了縱橋向不同約束體系下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng),并對減隔震裝置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析,得到如下結(jié)論:

        1)與縱向飄浮/半漂浮體系相比,塔梁之間設(shè)置黏滯阻尼器可以有效控制結(jié)構(gòu)地震位移響應(yīng),與縱向塔梁固定體系相比,塔梁之間設(shè)置黏滯阻尼器可以有效減小結(jié)構(gòu)的地震內(nèi)力響應(yīng),塔梁之間設(shè)置縱向黏滯阻尼器對高烈度區(qū)自錨式懸索橋來說是有效的減震體系。

        2)通過黏滯阻尼器參數(shù)優(yōu)化分析發(fā)現(xiàn),阻尼系數(shù)越大,減震效果越好,但是當(dāng)阻尼系數(shù)增加到一定程度后,減震效果逐漸減弱。另外,隨著阻尼系數(shù)增加,其經(jīng)濟(jì)效益逐漸變差,阻尼器布置和局部連接的設(shè)計(jì)也會(huì)變得困難。

        3)分析發(fā)現(xiàn),與阻尼系數(shù)相比,阻尼器的速度指數(shù)總體來說對橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)影響較小。

        4)橋梁抗震設(shè)計(jì)需綜合考慮結(jié)構(gòu)地震位移響應(yīng)、地震內(nèi)力響應(yīng)以及經(jīng)濟(jì)效益等因素,阻尼器參數(shù)的確定應(yīng)針對上述目標(biāo)進(jìn)行綜合分析,合理選擇。

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