河口黃河大橋減隔震措施研究

胡焱文

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

河口黃河大橋減隔震措施研究

胡焱文

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

河口黃河大橋主跨360 m，為我國Ⅷ度及以上地震區(qū)最大跨度的斜拉橋，橋塔設(shè)計受抗震控制，需采取合理的減隔震措施保證結(jié)構(gòu)的安全和經(jīng)濟(jì)性。介紹了河口黃河大橋的地震非線性時程分析方法，重點分析對比了不同參數(shù)下塔梁彈性約束和使用液體黏滯阻尼器兩種隔振體系的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。結(jié)果表明，相對于塔梁彈性約束體系，設(shè)置液體黏滯阻尼器對減少本橋地震效應(yīng)更為有效，其研究成果對同類大橋的設(shè)計與計算工作具有一定理論指導(dǎo)作用。

Ⅷ度地震區(qū)斜拉橋減隔震彈性約束液體黏滯阻尼器

1 工程概況

河口黃河大橋是蘭州（新城）至永靖沿黃河快速通道的重點控制性工程，為跨越黃河河口水庫而設(shè)。大橋主橋為雙塔雙索面結(jié)合梁斜拉橋，主跨跨徑360 m，邊跨跨徑177 m，主塔高99 m；兩邊跨各設(shè)置一個輔助墩，主橋孔跨布置為77 m+100 m+ 360 m+100 m+77 m，主橋全長714 m，見圖1。為提高主橋的抗震性能并滿足施工需要，主梁采用鋼-混組合梁。斜拉索采用空間扇形索面布置。橋塔采用鋼筋混凝A字型塔，塔高99m，塔柱采用弧形空透隔板連接。

圖1 河口黃河大橋橋型布置圖（單位：m）

河口黃河大橋為目前甘肅省最大跨度的斜拉橋，也是我國Ⅷ度及以上地震區(qū)最大跨度斜拉橋。橋塔設(shè)計由于受地震效應(yīng)控制，須采取減隔震措施。對于半飄浮體系斜拉橋，設(shè)置液體粘滯性阻尼器是減隔震的有效措施。但是塔梁間設(shè)置一定的彈性連接，同樣可以改善結(jié)構(gòu)的動力性能，達(dá)到減隔震的目的，日本多多羅大橋便采用了彈性連接措施。本文重點從設(shè)置彈性連接和液體黏滯阻尼器兩種思路出發(fā)，提出合理的減隔振措施，并對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2 地震響應(yīng)分析方法[1-5]

2.1 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的確定

河口黃河大橋主跨跨徑360 m，根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》的規(guī)定，河口大橋抗震設(shè)防類別為A類。根據(jù)工程場地地震安全性評估報告提供的場地特征,結(jié)合國內(nèi)大跨度橋梁的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，本橋采用兩水準(zhǔn)設(shè)防，兩水準(zhǔn)分別采用50 a10%超越概率與50 a2%超越概率。重現(xiàn)期475 a的E1地震作用下不應(yīng)發(fā)生損傷；重現(xiàn)期2 000 a的E2地震作用下可發(fā)生損傷，但地震后應(yīng)能立即維持正常交通通行。

2.2 地震動參數(shù)

設(shè)計基本地震動加速度峰值為0.2 g，橋址位于Ⅱ類場地，阻尼比取為0.03。根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》(JTG/T B02-01-2008)的規(guī)定，A類橋梁應(yīng)保證在E2水準(zhǔn)下處于彈性。根據(jù)地震安全性評價報告提供的資料，E2水平地震加速度時程見圖2。

圖2 2%超越概率加速度時程曲線

2.3 動力計算模型

采用Midas建立全橋動力計算模型，為獲得和真實結(jié)構(gòu)較為接近的動力特性，計算建模著重于準(zhǔn)確的模擬結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量及邊界條件，使其盡量與實際情況相符。橋塔、主梁采用6個自由度的梁單元模擬，主梁為開口斷面，自由扭轉(zhuǎn)剛度較小，為了考慮約束扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻(xiàn)，采用梁格計算模型，即由兩個邊梁、橫梁和橋面板共同組成主梁計算模型；斜拉索采用3個自由度的桁架單元模擬；樁基采用三維梁單元模擬，將群樁周圍的土按照剛度原則簡化為抗壓彈簧，彈簧的一端與樁相連，另一端固定。模型見圖3。

圖3 動力計算模型

2.4 邊界條件

本橋為雙塔三跨空間索面結(jié)合梁斜拉橋，采用半漂浮結(jié)構(gòu)體系。斜拉索與主梁和橋塔間采用剛性連接；橋臺、輔助墩處橫向、豎向自由度按剛性連接模擬,不約束轉(zhuǎn)動、扭轉(zhuǎn)自由度和縱向自由度；考慮樁基的柔性約束剛度,將樁基對橋塔的約束作用等效為剛度矩陣形式進(jìn)行約束,考慮線性自由度和轉(zhuǎn)動自由度的耦合約束效應(yīng)。橋塔橫梁與主梁之間豎向和橫向均按剛性連接模擬,不約束轉(zhuǎn)動自由度,根據(jù)不同的減隔振措施約束縱向自由度。

3 減隔震措施研究

3.1 塔梁彈性連接的減隔震效應(yīng)

塔梁處設(shè)置一定剛度的縱向彈性約束，一方面可以減小汽車制動力、縱向靜風(fēng)載等產(chǎn)生的塔底彎矩和塔梁水平位移，另一方面，對比半漂浮、塔梁固結(jié)、塔梁彈性這三種約束體系，半漂浮體系的縱向剛度最低，周期最長，塔柱的內(nèi)力反應(yīng)最小，但在高地震烈度區(qū)會導(dǎo)致相當(dāng)大的位移；塔梁固結(jié)體系的縱橋向剛度最大，周期最短，在地震作用下位移反應(yīng)最小，但是其導(dǎo)致的塔柱內(nèi)力反應(yīng)最大，且因溫度引起的主梁軸力和塔根彎矩也相當(dāng)大；塔梁彈性約束體系是以上兩種體系的一個折中方案，可以在橋梁的位移和內(nèi)力之間進(jìn)行協(xié)調(diào)。在地震作用下，通過選用適當(dāng)?shù)膹椥约s束剛度，塔、梁彈性約束體系能夠兼顧橋梁的強(qiáng)度和變形能力。

在塔梁彈性約束體系中，彈性約束剛度的取值對橋梁的內(nèi)力和位移有著直接的影響。隨著彈性約束剛度的增大，體系的整體剛度增大，周期減小，因此位移減小。一般認(rèn)為，橋面系的水平慣性力也隨著約束剛度的增大而增大，傳遞到塔底的慣性力也增大，因此塔底截面的內(nèi)力將增大。而塔底截面的彎矩,還與慣性力的傳遞途徑及其力臂有關(guān),因此變化規(guī)律比較復(fù)雜。

根據(jù)有限元計算結(jié)果，控制截面彎矩與彈性連接剛度關(guān)系曲線見圖4，剪力與彈性連接剛度關(guān)系曲線見圖5，位移與彈性連接剛度關(guān)系曲線見圖6。由圖4和圖6可知，當(dāng)本橋的塔梁彈性連接剛度小于12 000 kN/m時，隨著彈性連接剛度的增加，控制截面彎矩及關(guān)鍵點位移基本呈線性降低，彈性連接剛度在12 000 kN/m到2 000 kN/m的區(qū)間內(nèi)，控制截面彎矩及關(guān)鍵點位移均降低至趨于穩(wěn)定，彈性連接剛度增加到18 000 kN/m時，控制截面彎矩及關(guān)鍵點位移又有所降低，但降低幅度有限。由圖5可知，下塔柱剪力隨著彈性連接剛度的增大而增大，在彈性連接剛度達(dá)到8 000 kN/m后開始下降，上塔柱剪力隨著彈性連接剛度的增大而減小。綜上所述，認(rèn)為本橋的塔梁彈性連接剛度取12 000 kN/m是較為經(jīng)濟(jì)、合理的。

圖4 控制截面彎矩與彈性連接剛度關(guān)系曲線

圖5 控制截面剪力與彈性連接剛度關(guān)系曲線

3.2 設(shè)置阻尼器的減隔震效應(yīng)

對于半飄浮體系斜拉橋，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到地震力作用產(chǎn)生的動力反應(yīng)過大時，設(shè)置黏滯阻尼器是結(jié)構(gòu)被動控制中一種十分有效的消能減震裝置。在地震來臨時，在不以橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的變位和損傷為代價的前提下，可以消耗大量振動能量而又不給橋梁結(jié)構(gòu)附加任何剛度，同時還滿足在溫度變化、收縮徐變等因素引起的慢速變形時梁體自由的變形，使其不產(chǎn)生附加內(nèi)力，此外，黏滯阻尼器具有阻尼系數(shù)調(diào)整幅度大、應(yīng)用范圍廣、穩(wěn)定性好、施工維修方便等技術(shù)優(yōu)勢。

圖6 位移與彈性連接剛度關(guān)系曲線

對于設(shè)置阻尼器的橋梁來說，在改變黏滯阻尼器的阻尼系數(shù)和速度指數(shù)后對橋梁結(jié)構(gòu)的塔底彎矩及梁端位移均會有影響。不同阻尼系數(shù)條件下塔底彎矩與速度指數(shù)的關(guān)系曲線見圖7，塔底剪力與速度指數(shù)的關(guān)系曲線見圖8，塔頂位移與速度指數(shù)的關(guān)系曲線見圖9，梁端位移與速度指數(shù)的關(guān)系曲線見圖10。根據(jù)計算結(jié)果，本橋阻尼系數(shù)取8 000，速度指數(shù)取0.4較為合理。

圖7 塔底彎矩隨速度指數(shù)α的變化規(guī)律

圖8 塔底剪力隨速度指數(shù)α的變化規(guī)律

圖9 塔頂縱向變形隨速度指數(shù)α的變化規(guī)律

圖10 位移與彈性連接剛度關(guān)系曲線

3.3 減隔震措施的確定

根據(jù)有限元計算結(jié)果，控制截面內(nèi)力對比結(jié)果見表1，關(guān)鍵部位的位移對比結(jié)果見表2，由表1和表2可見，兩種減隔震措施均可以將位移限制到合理值；采用彈性連接的減隔震措施，可以削減下塔柱彎矩，但塔底剪力會隨著彈性連接剛度的增大而增大；而采用阻尼器連接，可以大幅度削減下塔柱彎矩、剪力，對減少本橋地震效應(yīng)更為有效。綜上，本橋采用液體黏滯阻尼器更為合理。

表1 控制截面內(nèi)力對比表

表2 關(guān)鍵部位位移對比表

4 結(jié)論

本文以河口黃河大橋為依托工程，建立有限元分析模型，對塔梁彈性約束和黏滯阻尼器兩種減隔震體系進(jìn)行了研究對比，主要得出以下結(jié)論：

（1）塔、梁彈性約束體系相對于半漂浮體系和塔梁固結(jié)體系，能夠更好的兼顧橋梁的強(qiáng)度和變形能力，但對塔底的彎矩值減小幅度較小且會增大塔底的剪力值。

（2）設(shè)置黏滯阻尼器既可以限制位移，又可以大幅度減小塔底的彎矩和剪力值，經(jīng)過兩種減隔震措施的對比，設(shè)置黏滯阻尼器對減少本橋地震效應(yīng)更為有效。

[1]范立礎(chǔ).橋梁抗震[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1997.

[2]葉愛君,胡世德,范立礎(chǔ).斜拉橋抗震結(jié)構(gòu)體系研究[J].橋梁建設(shè), 2002(4):1-4.

[3]王志強(qiáng).隔震橋梁分析方法及設(shè)計理論研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué), 2000.

[4]閆冬,袁萬城.大跨度斜拉橋的抗震概念設(shè)計[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2004(10):1344-1348.

[5]亓興軍,李小軍,李美玲.設(shè)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.

U443.82

B

1009-7716（2016）12-0153-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.12.045

2016-08-24

胡焱文（1983－），男，甘肅蘭州人，工程師，從事特殊結(jié)構(gòu)及大跨橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計、分析工作。