多種減隔震裝置共同作用的斜拉橋抗震分析

王 軍，王 萍，王澤銀

（1.西安市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710068；2.內(nèi)蒙古阿拉善盟公路運(yùn)輸維護(hù)中心，內(nèi)蒙古 阿拉善盟 750306）

0 引 言

對于斜拉橋等位于高烈度地區(qū)的重要橋梁，采用傳統(tǒng)的抗震理念有時(shí)很難滿足規(guī)范抗震計(jì)算要求。因此，在設(shè)計(jì)過程中通常采用在塔與梁之間增設(shè)阻尼約束裝置，形成塔、梁阻尼約束體系，以有效降低地震位移反應(yīng)。近年來，黏滯流體阻尼器廣泛用于橋梁抗震設(shè)計(jì)中，能起到較好的耗能和減震的作用[1]。其主要原理是以黏滯流體為阻尼介質(zhì)，用于吸收、耗散外部輸入裝置，屬于速度相關(guān)的被動(dòng)型阻尼器[2]。

1 工程概況

寶雞市陳倉渭河特大橋位于寶雞市陳倉區(qū)，南起現(xiàn)狀高新大道，往北上跨濱河南、北路、渭河，然后向北下穿西寶高速，接現(xiàn)狀陳倉中路。橋梁全長1007.5m，其中主橋總長300m。主橋?yàn)殡p塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，跨徑布置為74m+152m+74m，采用半漂浮體系，主梁采用“Π”型主梁斷面，如圖1、圖2所示。

圖1 主橋總體布置圖（單位：cm）

圖2 主塔斷面圖（單位：cm）

1.1 地質(zhì)水文條件

橋址區(qū)在區(qū)域上屬渭河河谷區(qū)，微地貌單元屬渭河河漫灘區(qū)，河谷開闊平坦。自上而下主要地層分布為素填土、粉質(zhì)黏土、中粗砂、卵石、粉質(zhì)黏土、礫砂。地下水類型為潛水，受大氣降水和渭河上游河流地下水補(bǔ)給，排泄方式為蒸發(fā)和向河流下游滲流。

1.2 主梁形式與斷面布置

主梁采用邊主梁（Π型）截面，梁高2.3m。邊梁之間設(shè)橫隔板，并與其形成橫縱相連的梁格體系。斜拉索在邊梁中心錨固于梁底。主梁寬30.6m，主塔位置處主梁寬28.6m，邊主梁寬2m，主塔處漸變寬為2.8m、端橫梁處漸變寬為2.2m。為改善主梁受力，方便設(shè)置縱向預(yù)應(yīng)力，邊主梁在底緣內(nèi)側(cè)設(shè)置懸臂。主梁斷面布置如圖3所示。

圖3 主梁橫斷面圖（單位：cm）

2 斜拉橋抗震設(shè)計(jì)

2.1 黏滯阻尼器

在主梁和墩臺之間的縱橋方向布置4個(gè)黏滯阻尼器，橫橋方向布置4個(gè)黏滯阻尼器。布置位置如圖4所示，參數(shù)見表1。

圖4 阻尼器平面布置圖（單位：m）

表1 阻尼器參數(shù)

2.2 隔振支座

根據(jù)摩擦擺球型支座力學(xué)特性，在MidasCivil軟件中采用了滯后系統(tǒng)單元進(jìn)行模擬，采用如圖5所示的雙折線彈塑性彈簧單元進(jìn)行模擬。圖6中，K1為屈服前水平剛度；K2為屈服后水平剛度；Qy為屈服力。對于組合式高效阻尼器，采用的是黏滯流體阻尼器，在軟件中采用Maxwell模型模擬。

圖5 斜拉橋動(dòng)力分析模型

圖6 隔震支座雙折線彈簧單元復(fù)力模型

3 有限元模型與動(dòng)力特性分析

3.1 動(dòng)力分析模型

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的總體構(gòu)造布置，采用大型有限元軟件MidasCivil2019建立了結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和地震響應(yīng)分析的三維有限元模型。將主梁、主塔、橋墩和樁模擬為考慮了剪切變形的三維彈性梁單元；將土層分層離散為文克爾彈簧，采用分層文克爾土彈簧模擬樁基礎(chǔ)受到的土體影響，彈簧剛度依據(jù)“m法”取值。

橋址處設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)峰值加速度為0.20g，抗震設(shè)防烈度為8度。場地類別為Ⅱ類。考慮到隔震支座的非線性對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響，采用非線性時(shí)程分析的方法對結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)進(jìn)行有限元?jiǎng)恿Ψ治觥＿x取50a超越概率為2%的地震時(shí)程作為E2地震時(shí)程。時(shí)程波圖形如圖7所示。

圖7 地震波時(shí)程曲線

3.2 動(dòng)力特性分析

結(jié)構(gòu)采用摩擦擺球型支座，設(shè)計(jì)在E1地震作用下支座限位裝置沒斷開前起限位作用，結(jié)構(gòu)為抗震體系，自振特性見表2。但在E2地震作用下設(shè)定支座限位裝置斷開，釋放二次位移，結(jié)構(gòu)成為減隔震體系，特征分析結(jié)果見表3。

表2 振動(dòng)頻率和振動(dòng)周期

表3 E2地震作用下結(jié)構(gòu)彈性驗(yàn)算

結(jié)構(gòu)E2減隔震體系（限位裝置斷開）自振特性如圖8至圖13所示。

圖8 第一階振型

圖13 第六階振型

圖9 第二階振型

圖10 第三階振型

圖11 第四階振型

圖12 第五階振型

4 抗震分析

4.1 主塔墩身與樁基驗(yàn)算

鋼筋混凝土橋塔塔身與樁基在地震作用下的抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算，應(yīng)首先將其截面劃分為纖維單元。深色區(qū)域和淺色區(qū)域分別為約束核心混凝土纖維區(qū)域和非約束混凝土區(qū)域，如圖14、圖15所示。采用實(shí)際的鋼筋和混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分別模擬鋼筋和混凝土單元。其次，采用數(shù)值積分法逐級加變形進(jìn)行截面彎矩-曲率分析(考慮相應(yīng)軸力)，得到截面M-φ（彎矩-曲率）曲線，計(jì)算簡圖如圖l6所示。限于篇幅，本文僅列出主要構(gòu)件的時(shí)程分析結(jié)果。

圖14 主塔墩身截面

圖15 主塔2m樁基截面

圖16 等效屈服曲率

在E2地震工況下，支座限位裝置斷開起到了隔震和減震的作用，結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行驗(yàn)算見表3。從表3中數(shù)據(jù)可知，各墩墩底、樁頂截面均處在完全彈性階段。液體黏滯阻尼器通過活塞與容器間的相對運(yùn)動(dòng)提供阻尼力，達(dá)到減震的目的。其對地震引起的結(jié)構(gòu)變形卻能迅速耗能，而且能減少結(jié)構(gòu)加速度和位移[3-5]。圖17、圖18反映出阻尼器滯回曲線飽滿，耗能效果較好。

圖17 順橋向阻尼器滯回曲線

圖18 橫橋向阻尼器滯回曲線

4.2 支座驗(yàn)算

支座的水平抗剪力設(shè)計(jì)值按豎向承載力的10%考慮。采用摩擦擺球型支座，在E2地震作用下達(dá)到一定力后，支座水平限位斷開，釋放支座二次位移。

由E2地震響應(yīng)結(jié)果可知，在限位裝置斷開后，支座縱橫向最大位移為245mm和186mm；支座縱橫向阻尼位移均為±400mm，滿足位移需求。

5 結(jié) 語

本文通過考慮斜拉橋受力特點(diǎn)，采用摩擦擺球型支座加黏滯阻尼器減隔震方案，考慮樁土作用，合理構(gòu)建空間有限元模型，進(jìn)行了斜拉橋的抗震分析與設(shè)計(jì)。主要結(jié)論有：

（1）采用多種減隔震裝置方案，能進(jìn)一步減小塔梁的縱橫向相對位移和結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

（2）黏滯阻尼器滯回曲線線性合理飽滿，減震耗能明顯。E2地震作用下，結(jié)構(gòu)處于完全彈性狀態(tài)，多種減隔震裝置效果明顯。