銀洲湖大橋地震響應分析及抗震性能研究

楊 曄 （蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210000）

1 引言

斜拉橋在大跨度橋梁中得到了廣泛應用，具有主塔高、主跨大、主梁較輕、結構柔、阻尼小等結構特點。大跨度斜拉橋塔梁連接處的縱向約束可分為4類：半漂浮體系、漂浮體系、塔梁固結體系和剛構體系。半漂浮體系是斜拉橋廣泛采用的一種體系，在地震荷載作用下內力小，但位移較大，一般采用阻尼器以減小主梁縱向位移、減小主塔內力[1]。橫橋向斜拉橋由于抗風需求，塔、梁間普遍采用固定約束方式。這種限位體系雖然主塔塔根處的橫向地震內力很大，但主塔的截面較大，強度往往能滿足抗震要求。而對于斜拉橋邊墩，橫向如采用限位體系，在地震作用下，橋墩和基礎會產生超過其抗震能力的地震反應。因此如何選擇合適的阻尼器及橫向抗震體系是大跨徑斜拉橋抗震設計的關鍵[2]。本文以一典型斜拉橋為例，介紹大跨徑斜拉橋抗震計算及結構體系比選情況。

2 工程背景及地震動參數選擇

銀洲湖特大橋為雙塔雙索面混合梁斜拉橋，跨徑布置為（56.8+64.8+66.4）+530+（66.4+64.8+56.8）m。其橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型布置圖

銀洲湖特大橋地震動峰值加速度為0.1g，場地特征周期為0.35s。根據安評報告中E1、E2各提供了3組水平方向的地震波，其中一組如圖2所示。

圖2 水平方向地震波

3 結構模型與動力特性

結構動力特性是進行地震分析的前提，通過結構動力特性分析，可了解結構的頻率分布及振型特點，為初步判定結構的抗震性能提供依據[1]。采用midas civil軟件進行建模，用空間梁單元模擬主梁和索塔的剛度，其質量和質量慣性矩則采用節點質量來模擬，斜拉索采用等效桁架單元模擬。斜拉索與主梁之間采用剛臂單元連接；主梁與橋墩、主梁與橋塔的連接按照支座的設置情況采用彈性連接單元模擬，不考慮縱向阻尼器；結構基礎模擬時按實際建立樁基，采用m法和土彈簧模擬樁土之間的作用。表1給出了結構動力特性的計算結果。

銀洲湖特大橋結構動力特性 表1

4 縱向減隔震設計

銀洲湖特大橋結構體系為半漂浮體系，當塔梁之間設置縱向阻尼器時，橋面系的地震慣性力直接受到阻尼器的約束和能量耗散，可達到減小主梁縱向位移、減小主塔內力的效果[3]。

根據國內的工程經驗[4]，銀洲湖特大橋縱橋向選擇粘滯阻尼器。粘滯阻尼器為速度相關型減隔震裝置，其阻尼力可由下式求得：

F=C·vn

式中F為阻尼力，C為阻尼系數，v為塔梁之間的相對速度，n為速度指數。

在進行地震響應計算和阻尼器選型分析時，考慮了不同的阻尼系數C和速度指數n的影響，阻尼系數C取1000～3500 kN/(m/s)不等，速度指數取 0.1～0.6，針對不同的參數組合進行了參數分析。

結構響應取E2地震作用下3組地震波的最大值。計算結果如圖3所示。

圖3 阻尼器參數分析計算結果

對于控制梁端的縱向位移，增大阻尼是有利的，對于索塔塔底彎矩，采用較大的速度指數和較大的系數是有利的，但速度指數增大反而是不利的。對于阻尼器本身而言，阻尼系數越大、速度指數越小，最大阻尼力越大，且基本呈線性關系。

根據上述的參數變化規律，對于控制結構的內力和位移，應取較大的阻尼系數和適中的速度指數；但阻尼系數過大會導致較大的阻尼力使得阻尼器的尺寸增大，且阻尼系數增大到一定程度后，對于內力和位移的影響效率會減弱。因此綜合考慮后，銀洲湖特大橋縱向阻尼器最終阻尼系數取2500kN/(m/s)n，速度指數n取0.4。此時塔底彎矩相對沒有加阻尼器的時候減小了約45%，梁端位移減少了約50%。

5 橫向支撐體系

根據國內工程經驗，在高震區橋梁橫向也會設置減隔震裝置以減小地震響應。銀洲湖特大橋位于0.1g區，橫向地震作用力可通過適當增加下部結構配筋利用自身強度抵抗，因此橫向支撐僅采用常規的單向支座或橫向抗風支座。

橫向約束位置包括索塔、輔助墩和過渡墩。索塔位置必須設置橫向支撐，一是需要承受橫向風荷載，二是防止地震時塔梁之間的撞擊。過渡墩位置一般也應該設置橫向支撐，目的是限制正常使用過程中結構的橫向位移，以防伸縮縫裝置損傷[5]。因此橫向支撐體系的研究主要是針對輔助墩是否設置橫向支撐。

針對輔助墩處設/不設橫向約束分別建立模型進行計算，結構響應取E2地震作用下3組地震波的最大值。計算結果如表3～表5所示。

輔助墩橫向約束對輔助墩的影響 表4

輔助墩橫向約束對索塔的影響 表5

根據計算結果：①對于過渡墩，輔助墩墩頂無橫向約束時，主橋的橫向約束僅由主塔及過渡墩承擔，過渡墩的內力較大；在輔助墩也加上橫向約束后，過渡墩的內力及位移均有一定程度的減小，約減小5%～9%左右。②對于輔助墩，在輔助墩墩頂無橫向約束時，內力較小；在增加輔助墩墩頂橫向約束后，由于橫向地震力一部分由該墩承擔，輔助墩的內力及位移均有較大程度的增加，約增加1倍。③對于索塔，在輔助墩增加橫向約束后，主塔內力及位移有一定程度的減小，約減小8%～10%。

由以上分析可見，輔助墩設置橫向約束后，主塔及過渡墩的橫向內力及位移減少有限；但輔助墩自身的受力增加一倍，導致工程規模增加較多。最終確定索塔及過渡墩處設置雙向滑動支座+橫向抗風支座，輔助墩頂僅設置雙向滑動支座。全橋的支撐體系如圖4所示。

圖4 全橋支撐體系

6 結論

本文針對銀洲湖特大橋的縱、橫向抗震進行了計算研究：

①縱橋向設置粘滯阻尼器能有效地減小索塔的內力和主梁的梁端位移。通過對阻尼器的參數分析，綜合對結構內力、位移以及阻尼器自身受力，確定選擇阻尼系數C=2500(kN/(m/s))，速度指數n=0.4，結構受力最優；

②通過計算比選了輔助墩處是否設置橫向約束，設置橫向約束后輔助墩自身內力增大較大，而對索塔和過渡墩的影響較小，因此確定輔助墩位置不設置橫向約束。

通過研究了縱向粘滯阻尼器及其不同參數對結構地震響應的影響，確定了合理的阻尼器參數。同時研究了不同的橫向支撐體系下結構的地震響應，確定了合理的橫向支撐體系。本文研究成果對類似體系的斜拉橋工程有一定的參考意義。