主跨532 m公鐵兩用斜拉橋的地震響應及阻尼器減震效果研究

郭 輝，李永強，胡所亭，班新林

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

主跨532 m公鐵兩用斜拉橋的地震響應及阻尼器減震效果研究

郭 輝，李永強，胡所亭，班新林

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

以我國首座跨海公鐵兩用鋼桁斜拉橋——元洪航道橋(主跨532 m)為研究對象，采用空間板梁單元法建立有限元模型，對該橋地震響應特征及阻尼器減震效果等進行了研究。結果表明:大跨度斜拉橋動力特性分析除應考慮拉索垂度效應外，也應同時考慮梁—柱效應;動力特性分析時宜優先采用多重Ritz向量法，以使振型參與質量更快達到抗震計算要求;不同地震水平下，邊墩和輔助墩的墩底、主塔塔底和下橫梁附近截面將承受較大彎矩，為地震易損部位;N4#塔梁間設置縱向黏滯阻尼器后，罕遇地震作用下N3#主塔(支座縱向固定)順橋向彎矩、結構縱向位移均明顯減小，最大減幅分別達40.6%和44.8%，減震效果明顯。

公鐵兩用斜拉橋 動力特性 地震易損部位 黏滯阻尼器 減震效果

我國大跨度公鐵兩用斜拉橋建設以2001年建成的主跨312 m的蕪湖長江大橋為起點，近年來又先后建成武漢天興洲長江大橋(主跨504 m，2008年)、黃岡長江大橋(主跨567 m，2013年)和銅陵長江大橋(主跨630 m，2013年)等大跨度公鐵兩用斜拉橋。正在施工中的平潭海峽大橋，是我國首座公鐵兩用跨海橋梁，其中三座通航孔橋——元洪航道橋、鼓嶼門水道橋和大小練島水道橋，均為鋼桁梁斜拉橋，主跨跨徑分別為532，364和336 m。大跨度公鐵兩用斜拉橋的發展使其抗震問題倍受關注，如何保證大橋在地震作用下的結構安全，滿足不同設防目標，是目前研究的熱點［1-3］。與普通橋梁不同的是，大跨度斜拉橋的地震反應分析受結構復雜性的影響往往成為工作量最大也最為復雜的環節，地震響應分析結果的合理性直接影響斜拉橋的設計和抗震性能評估［4-5］。因此，有必要對大跨度公鐵兩用斜拉橋的地震響應規律進行深入研究。

本文以主跨532 m的公鐵兩用斜拉橋——元洪航道橋為例，分別從結構動力特性、地震作用下結構響應特征、縱向黏滯阻尼器的減震效果等方面進行了研究，研究結論可為同類型橋梁的建造提供參考。

圖1 元洪航道橋立面布置(單位:m)

1 工程概況

元洪航道橋是新建福州至平潭鐵路平潭海峽大橋的控制性工程，橋跨具體布置為:(132+196+532+ 196+132)m，其中上層為雙向六車道公路，下層為雙線鐵路。主橋立面布置圖如圖1所示，墩(塔)編號從左至右依次為N1#～N6#。主梁采用帶斜副桁的直桁截面，上層公路橋面除梁端6個節間為鋼桁—混凝土結合橋面外，其它均為正交異性鋼板的板桁組合結構整體橋面，下層鐵路橋面采用正交異性板整體橋面結構。主梁頂寬35.6 m，桁高13.5 m，下弦桁寬15 m。主塔采用“H”形混凝土結構，N3#及N4#塔塔頂高程均為+205.0 m，塔根高程-16.5 m(施工圖設計階段)，承臺以上塔高221.5 m。考慮到海水下承臺施工難度很大，塔根高程后續又變更為+5.0 m。本次分析以原施工圖設計階段塔高程為準。

2 設防標準及地震動輸入

根據《平潭上島鐵路海壇海峽大橋工程場地地震安全性評價報告》(以下簡稱《安評報告》)提供的16.2 m深度處的峰值加速度，本橋的抗震設防標準為:

1)多遇地震(100年超越概率63%)的地震動參數PGA=48 gal，水平地震動峰值加速度Amax= 0.048g，同時考慮重要性系數1.5;

2)設計地震(100年超越概率10%)的地震動參數PGA=127 gal，水平地震動峰值加速度Amax= 0.127g;

3)罕遇地震(100年超越概率4%)的地震動參數PGA=185 gal，水平地震動峰值加速度Amax=0.185g。

反應譜采用《安評報告》中的設計加速度反應譜，如表1及圖2所示。

表1 工程場地水平向設計反應譜參數(阻尼比5%)

圖2 反應譜曲線

本橋為A類橋梁，橋梁結構地震響應在多遇地震作用下的計算應采用反應譜法及時程分析法相互校核，罕遇地震作用下采用時程法分析，同時要求線性時程分析結果不應小于反應譜結果的80%［6-7］。

地震作用效應計算采用CQC法進行振型組合［7］。分別輸入多遇地震、設計地震及罕遇地震條件下的水平縱向、水平橫向的設計加速度反應譜，豎向設計加速度反應譜則根據規范規定取水平向對應值的65%輸入。地震輸入采用兩種方式，即水平縱向+豎向、水平橫向+豎向。方向組合采用平方和開方法(SRSS法)。

加速度時程曲線根據《安評報告》提供的加速度反應譜經人工擬合后得到，給出多遇地震和罕遇地震下的代表性加速度時程曲線，如圖3所示。

進行時程分析時，地震動輸入采用兩種組合:①水平縱向+豎向;②水平橫向+豎向。根據《安評報告》，豎向輸入取為水平向輸入的2/3。本橋主塔及墩身為混凝土，主梁為鋼材，不同材料的阻尼比不同，各振型阻尼的計算采用應變能因子方法，其中鋼結構的阻尼比取0.02，混凝土結構阻尼比取0.05［7］。

圖3 地震加速度代表性時程曲線

3 結構動力特性分析

計算動力特性時需合理考慮結構質量、剛度分布以及邊界條件［5］。本橋采用空間板梁單元法進行有限元建模。其中，鐵路及公路橋面板、橋門架采用板單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬，其余均采用梁單元模擬。分別采用Lanzcos法、多重Ritz向量法計算橋梁前300階自振頻率及振型。本文給出了前10階自振頻率和振型如表2所示，部分振型圖如圖4所示。從表中可見，本橋第一階振型為主桁橫彎、第二階為縱漂，表明結構橫向剛度較縱向偏弱;在拉索垂度效應基礎上進一步考慮梁—柱效應，結構自振頻率整體上出現一定程度降低，表明梁柱效應引起結構剛度降低;采用多重Ritz向量法，同時考慮以上兩類幾何非線性，得到的前10階振型及自振頻率與Lanzcos法相同，但前300階振型結果表明，多重Ritz向量法可使各方向特別是豎向振型參與質量更快達到90%(因其求出的是和激發荷載向量直接相關的振型)，而Lanzcos法在第300階時豎向振型參與質量為46.8%，建議結構地震響應分析時優先采用多重Ritz向量法。

表2 元洪航道橋自振頻率及振型

圖4 結構主要振型

4 地震響應特征及易損部位分析

罕遇地震下采用反應譜分析得到的結構各主要部位的地震響應如表3所示。從表中可見，地震作用下墩底內力特別是墩底彎矩明顯大于墩頂，地震易損部位在墩底。主塔的地震易損部位是塔底截面、下橫梁上側塔柱截面和下側塔柱截面。此外，在橫向地震作用下，上、下橫梁端部反應較大，也是地震易損部位。在設計時對上述地震易損部位應予以重視，保證其抗震性能。

5 縱向黏滯阻尼器對減震效果的影響

為減少制動塔地震響應，可以在活動塔塔梁處設置阻尼器裝置，通過對阻尼器進行參數優化研究，最終確定合理的阻尼器布置方式，縱向阻尼器參數如表4所示。

為合理模擬縱向黏滯阻尼器的減震效果，采用非線性時程分析方法計算橋梁結構的地震響應，內力及位移結果分別如表5、表6所示。

表3 罕遇地震作用下結構各主要部位的地震響應(反應譜法)

表4 阻尼器技術參數

表5 罕遇地震作用下結構主要部位的內力響應(非線性時程分析，考慮阻尼器)

表6 罕遇地震作用下結構主要部位的位移響應(非線性時程分析，考慮阻尼器)mm

表7 線性時程與非線性時程分析內力結果對比(承臺底截面，罕遇地震)

從表5可見，各墩墩底、主塔塔底同樣是地震響應較大的部位，在抗震設計時需對這些部位的配筋進行合理布置。從表6可見，本文計算結果與文獻［8］值整體上符合較好，產生差別的主要原因是:建立的動力分析模型不完全一致，使得動力特性乃至地震響應存在一定差別;兩者采用的時程波不一致;本文在計算地震響應時考慮了結構前300階振型，而文獻［8］中取前100階振型。

進一步比較罕遇地震作用下線性時程與非線性時程的承臺底內力計算結果，如表7及表8所示。從結果可見，非線性時程對應的主塔承臺底縱向彎矩明顯減小，減小量為4.28×106kN·m，減幅達40.6%，發生在N3#塔承臺底截面，這主要是因為非線性時程分析考慮了縱向黏滯阻尼器的作用。同時，結構各關鍵點位置處的縱向位移明顯減小，減幅最大達44.8%，出現在N3#塔塔頂位置，但對結構橫橋向位移的影響很小，說明縱向黏滯阻尼器可以明顯減小結構縱向位移響應。同時，阻尼器減震效果在定量上與其它研究結論一致［9］。

表8 線性時程與非線性時程分析位移結果對比(罕遇地震)mm

6 結論

采用反應譜和時程分析方法對元洪航道橋進行地震響應研究，得到以下結論:

1)進行大跨度公鐵兩用斜拉橋動力特性分析時除應考慮拉索垂度效應外，還應計入梁—柱效應的影響;動力特性分析宜首先考慮采用多重Ritz向量法，使振型參與質量在滿足抗震計算要求的同時不至于增加更多階頻率數目。

2)本橋的地震響應分析結果表明，地震易損部位是邊墩及輔助墩墩底截面、主塔塔底截面及下橫梁的上下端部塔柱截面，設計時應予以重視。

3)考慮黏滯阻尼器的非線性時程分析結果表明，罕遇地震作用下，主塔N3#承臺底縱向彎矩明顯減小，彎矩最大減幅達40.6%，同時N3#塔塔頂縱向位移減小約44.8%。在大跨度公鐵兩用斜拉橋的設計中宜采用半漂浮或漂浮體系，同時在塔梁間設置阻尼和限位的結構體系，在降低地震響應方面具有較大優勢。

［1］韓艷，夏禾，郭薇薇.斜拉橋在地震和列車荷載同時作用下的動力響應分析［J］.工程力學，2006，23(1):93-98.

［2］李杰，李娜.單索面低塔斜拉板桁組合公鐵兩用橋地震響應分析［J］.公路，2010(10):9-13.

［3］阮懷圣，李龍安，楊光武，等.黃岡公鐵兩用長江大橋抗震技術研究［J］.橋梁建設，2013，43(6):34-39.

［4］張喜剛，陳艾榮.千米級斜拉橋——結構體系、性能與設計［M］.北京:人民交通出版社，2010.

［5］范立礎.橋梁抗震［M］.上海:同濟大學出版社，1997.

［6］中華人民共和國建設部.GB 50111—2006鐵路工程抗震設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2009.

［7］中華人民共和國交通運輸部.JTG/T B02-01—2008公路橋梁抗震設計細則［S］.北京:人民交通出版社，2008.

［8］中鐵大橋勘測設計院集團有限公司.新建鐵路福州至平潭鐵路平潭海峽公鐵兩用大橋(元洪航道橋532 m鋼桁斜拉橋)結構抗風、抗震分析報告［R］.武漢:中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，2013.

［9］亓興軍，李小軍，李美玲.設置粘滯阻尼器的大跨斜拉橋抗震分析［J］.鐵道建筑，2007(1):1-3.

Research on earthquake response of highway and railway shared cable-stayed bridge with 532 m-main span and vibration-reducing effect of damper

GUOHui，LI Yongqiang，HU Suoting，BAN Xinlin
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

The Yuanhong Channel Bridge in Pingtan Railway is the first and the largest highway and railway shared cable-stayed steel bridge crossing the strait in China with the main span of 532 m.The seismic response and seismic mitigation effect of dampers of this bridge was studied based on a spatial plate-beam finite element model.Both sag effect and beam-column effect shall be considered for the analysis of the dynamic characteristics of the large-span cable-stayed bridge.Ritz method was suggested，satisfying the requirement for the faster seismic calculation.It's prone to damage at the bottom of the side and auxiliary pier，the tower's root region and its lower transverse beam under different seismic level.After installing the viscous damper in the longitudinal direction between the N 4#pylon and girder，the decrease of longitudinal bending moment of the N3#pylon(with bearings fixed in longitudinal direction) and that of the longitudinal displacement were significant under rarely occurred earthquake，with the maximum decrease rate of 40.6%and44.8%respectively，indicating good effect of seismic mitigation.

Highway and railway shared Cable-Stayed Bridge;Dynamic properties;Seismic vulnerable region; Viscous damper;Seismic mitigation effect

U442.5+4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.03

1003-1995(2015)01-0014-05

(責任審編 孟慶伶)

2014-10-10;

2014-11-03

郭輝(1982—)，男，湖南常德人，助理研究員，博士。