綿陽(yáng)三江大橋減震分析

楊勇，寧平華，樂(lè)小剛

（廣州市政設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州510060）

綿陽(yáng)三江大橋減震分析

楊勇，寧平華，樂(lè)小剛

（廣州市政設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州510060）

首先，對(duì)設(shè)置了粘滯阻尼器的綿陽(yáng)三江大橋進(jìn)行了縱向非線性地震反應(yīng)分析。接著，討論了粘滯性阻尼器各參數(shù)對(duì)減震效果的影響，并選取最優(yōu)參數(shù)。最后，對(duì)比了設(shè)置阻尼器前后橋梁主要構(gòu)件地震反應(yīng)。

地震響應(yīng)； 減震； 粘滯性阻尼器

0　前言

強(qiáng)烈的地震給人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)巨大危害，它造成橋梁等重要的交通構(gòu)筑物破壞后，由于交通中斷、救援受阻而擴(kuò)大了次生災(zāi)害，而橋梁要具備抵抗地震作用的能力，需要在建設(shè)階段投入較大的財(cái)力。阻尼減震技術(shù)針對(duì)橋梁阻尼低的特點(diǎn)，能夠成倍甚至幾十倍提高結(jié)構(gòu)阻尼，抑震效果佳，得到了廣泛的應(yīng)用，并且橋梁減震設(shè)置能夠有效地減少橋梁抗震投入。粘滯性阻尼器已經(jīng)被成功地運(yùn)用到高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)、體育館、海洋平臺(tái)，甚至衛(wèi)星發(fā)射塔。將粘滯性阻尼器首次應(yīng)用于橋梁的是美國(guó)金門大橋的抗震加固工程。此外建設(shè)中的跨越希臘科林斯海峽的雷翁—安蒂雷翁大橋和美國(guó)Oakland海灣橋西跨懸索橋加固，都使用了阻尼器。重慶鵝公巖大橋和上海盧浦大橋也安裝了阻尼器。但總體來(lái)講，在國(guó)內(nèi)，粘滯阻尼器在橋梁中應(yīng)用的實(shí)例并不多，國(guó)內(nèi)結(jié)構(gòu)有限元軟件具有阻尼器單元模塊的更是沒(méi)有。

1　工程背景

綿陽(yáng)三江大橋工程位于綿陽(yáng)城南新區(qū)內(nèi)“四橫”主干道紅塔街上，是區(qū)域內(nèi)路網(wǎng)體系的重要節(jié)點(diǎn)。橋梁西起規(guī)劃路，自西向東分別跨越西岸的涪濱路、涪江和東岸的綿鹽大道后接地，橋型如圖1所示。主橋采用100 m+200 m+100 m雙塔雙層支承體系斜拉橋，下層車行橋，上層布置人行橋。人行橋采用”S”曲線形梁，銜接兩岸的駁岸，實(shí)現(xiàn)行人過(guò)江。綿陽(yáng)三江大橋工程位于龍門地震帶附近，是汶川地震后綿陽(yáng)建設(shè)的首座大型橋梁，為了減小橋梁的地震反應(yīng)，節(jié)約投資，在梁與墩之間設(shè)置了粘滯性阻尼器。該項(xiàng)工程于2009年開(kāi)始施工，2012建成通車。

2　有限元模型的建立

（1）主橋整體空間有限元模型采用大型結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行建模，主塔、主梁、墩柱，以及樁基均采用空間梁?jiǎn)卧M，斜拉索采用桁架單元，承臺(tái)采用板殼單元。模型分析采用有限元位移理論，計(jì)入了結(jié)構(gòu)的幾何剛度、斜拉索的垂度效應(yīng)，以及坐標(biāo)修正的結(jié)構(gòu)大位移等諸因素對(duì)計(jì)算的影響。車、人行橋主梁均采用單梁形式模擬，主梁與邊墩、塔柱相連接處按支座參數(shù)進(jìn)行自由度彈性約束，從而模擬實(shí)際的橋梁結(jié)構(gòu)。主橋整體有限元模型如圖2所示。

采用midas一般連接特性中maxwell粘滯阻尼模型，如圖3所示。

（2）粘滯性阻尼器的阻尼力與相對(duì)速度的關(guān)系為：

其中，F(xiàn)為阻尼力，kN；C為阻尼系數(shù)，kN/s/m；V為速度，m/s；a為速度指數(shù)（無(wú)單位）。速度指數(shù)a的常用取值范圍為0.2～1.0。

該項(xiàng)分析采用E2概率下縱向C波作為激勵(lì)，計(jì)算分析了車行橋阻尼器阻尼系數(shù)C在5000～25000 kN/s/m范圍；人行橋阻尼器阻尼系數(shù)在5000～20000 kN/s/m范圍；車、人行橋阻尼器速度指數(shù)在0.2～1范圍內(nèi)。

（3）對(duì)綿陽(yáng)三江大橋主橋進(jìn)行抗震能力分析驗(yàn)算時(shí)，選用50 a超越概率10%（E1）和50 a超越概率2%（E2）兩個(gè)概率水準(zhǔn)的地震加速度反應(yīng)譜和時(shí)程作為輸入，分別進(jìn)行兩水平的地震反應(yīng)分析。反應(yīng)譜曲線如圖4所示。

圖1　主橋橋型立面圖

圖2　主橋有限元模型

圖3　粘滯阻尼器模型

圖4　兩個(gè)概率水準(zhǔn)的反應(yīng)譜曲線圖

3　分析結(jié)果

3.1橋梁的動(dòng)力特性

在進(jìn)行地震反應(yīng)分析前，需要對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性（頻率和振型）進(jìn)行分析計(jì)算。對(duì)三江大橋主橋計(jì)算分析了前180階模態(tài)，結(jié)果表明振型參與質(zhì)量滿足大于90%的要求，現(xiàn)將前5階模型的頻率分析結(jié)果及各階振型特點(diǎn)列于表1。

表1　模型前5階振型頻率及振型特點(diǎn)表

3.2阻尼器參數(shù)比選

通過(guò)計(jì)算不同的阻尼參數(shù)得到橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，繪制出了粘滯阻尼器各參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響曲線，見(jiàn)圖5～圖8所示。

圖5　塔頂縱向位移曲線圖

圖6　車行橋主梁縱向位移曲線圖

圖7　塔底彎矩曲線圖

圖8　塔底剪力曲線圖

可以看出，當(dāng)阻尼器的阻尼指數(shù)a一定時(shí)，隨著阻尼系數(shù)C的增大，梁端位移、塔頂位移、阻尼器位移基本上線性減小，而塔底彎矩和剪力則線性增大。當(dāng)阻尼系數(shù)C一定時(shí)，梁端位移、塔頂位移、阻尼器位移隨著阻尼指數(shù)a的增大而增大，而塔底彎矩和剪力則隨著阻尼指數(shù)a的增大而減小。因此，阻尼器參數(shù)的選擇要兼顧位移和內(nèi)力。

3.3安裝阻尼器后結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)

為驗(yàn)證阻尼器減震的有效性，對(duì)安裝阻尼器前后的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表2所列。可以看出，設(shè)置阻尼器后橋梁的地震位移和塔底彎矩顯著減小，塔底剪力增大。

表2　設(shè)置阻尼器前后地震反應(yīng)對(duì)比表

4　結(jié)論

粘滯性阻尼器的減震效果，與橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和參數(shù)設(shè)置有密切的關(guān)系，設(shè)置時(shí)需要反復(fù)計(jì)算，綜合比選，否則當(dāng)參數(shù)選取不當(dāng)時(shí)，會(huì)取得相反的效果。該項(xiàng)工程設(shè)置縱向粘滯阻尼器后，有效地降低結(jié)構(gòu)塔頂、縱梁在地震作用下位移，改善了部分構(gòu)件的地震力。

U442.5+5

B

1009-7716（2015）02-0054-03

2014-11-12

楊勇（1973-），男，湖北黃岡人，高級(jí)工程師，從事橋梁工程設(shè)計(jì)與技術(shù)管理工作。