高烈度震区独塔斜拉桥减震优化设计

全 伟，张 雷，王砺文

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

高烈度震区独塔斜拉桥减震优化设计

全 伟，张 雷，王砺文

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

高烈度震区独塔斜拉桥在纵、横向地震作用下均需满足相应的抗震性能要求，以唐山市二环路上跨津山铁路独塔斜拉桥为例，该桥综合采用主塔处设置纵向粘滞阻尼器，辅助墩和边墩设置横向粘滞阻尼器的结构体系，分别抵御纵、横向地震。设计对阻尼系数和阻尼指数等进行了详细的参数分析；对合理横向抗震体系进行研究。研究表明：阻尼系数和阻尼指数应进行参数分析，并综合考虑梁端梁-墩相对位移、桥塔受力等合理选择。横向阻尼约束体系相对漂浮体系和固定体系更优。本桥减震设计体系合理，取得了很好的减震效果。

高烈度；独塔斜拉桥；纵向减震；横向减震；粘滞阻尼器

1 概述

对于高烈度地震区的重要桥梁，如大跨连续梁[1-3]、斜拉桥[4-6]等，采用传统的抗震设计方法，很难满足其抗震设计需求。因此，有必要采用合理的减震措施。粘滞阻尼器主要通过提供阻尼，在大震作用下，在桥梁结构中起到耗能和减震的目的。其减震效果已得到广泛的认同，并在国内外大量工程实践中采用[7-10]。

结合唐山市二环路上跨津山铁路独塔四索面斜拉桥的抗震设计，对独塔斜拉桥纵、横向减震体系进行了优化设计，纵桥向在塔梁相交处设置粘滞阻尼器，并针对桥梁的减震目标，对阻尼器关键技术参数，阻尼系数和阻尼指数的选取进行了参数分析。横桥向，在辅助墩和边墩处设置横向粘滞阻尼器，相比横向约束和横向漂浮体系达到了较好的减震效果。

2 工程简介

唐山市二环路上跨津山铁路斜拉桥主跨布置为(34+81+115) m，主桥全长230 m，边跨设1个辅助墩，桥梁立面布置如图1所示。桥梁为独塔四索面预应力混凝土斜拉桥，主塔为双人字型桥塔；主梁采用单箱三室截面；斜拉索采用高强平行钢丝，斜拉桥边跨和主跨单索面各布置16根斜拉索，全桥共设64对斜拉索，梁上索距6.0 m，塔上索距1.5 m。

本桥位于河北唐山市，桥址区域位于跨越华北地震区的华北平原地震带和郯庐地震带，抗震设防烈度为8度[11]。根据《城市桥梁抗震设计规范》(CJJ 166—2011)[12]，本桥抗震设防类别为甲类，E1地震结构需基本处于弹性范围；E2地震桥梁可发生轻微损伤。

图1 斜拉桥立面布置(单位：cm)

抗震设计时对应E1地震采用桥位处《工程场地地震安全性评价报告》[11]中超越概率50年10%的相应参数，地震动加速度峰值均值达到0.271g。对应E2地震采用超越概率50年2%的相应参数，地震加速度峰值均值达到0.463g，图2所示为安评报告提供的1条人造地震波时程曲线。由于本桥抗震设防烈度及需满足的性能水准均较高，因此需考虑在桥梁的纵、横向设置合理的减震设施，满足强震作用下桥梁的性能要求。

图2 人造地震波

3 独塔斜拉桥减震设计

本桥抗震设计时，考虑采用合理的减震技术来提高桥梁的抗震性能。其纵、横向阻尼器和支座布置如图3所示。

图3 独塔斜拉桥支座及纵、横向阻尼器布置示意(单位：mm)

(1)桥梁在纵桥向为漂浮体系，在塔墩、主梁之间设置了纵向粘滞阻尼器，大幅度减小了桥梁在纵桥向的地震响应。一方面，梁端位移满足伸缩缝设置的需求；另一方面主桥地震响应大幅减小，满足桥梁配筋的需求。

(2)独塔斜拉桥横向同样考虑设置横向粘滞阻尼器进行减震，设计时考虑在辅助墩和边墩设置横向阻尼器。主塔处由于桥梁采用双人字形桥塔，主梁从人字形桥塔中间通过，主梁侧壁和桥塔之间空间有限，很难适应较大的横向变位。此外，主塔处桥梁纵向已设置了较大吨位的阻尼器，横向如再设置阻尼器，对根部主梁设计也极为不利，因此，仅考虑在辅助墩和边墩设置横向阻尼器。

(3)为了满足正常使用的要求，边墩和辅助墩处，横向均设置1个横向固定支座。在大震作用下，横向固定约束剪断，阻尼器发挥作用。

3.1 纵向抗震体系

桥梁纵向采用漂浮体系，可有效减小结构的地震响应。由于纵向漂浮，主梁在地震作用下纵向位移过大，经试算，如不设置阻尼器，本桥纵向位移将达到1 m以上，显然不能满足设计要求。因此考虑在主塔和主梁交汇处设置粘滞阻尼器。

粘滞阻尼器提供的阻尼力可用下式表示

F=Cvα

式中F——粘滞阻尼器提供的阻尼力；

C——阻尼系数；

v——速度；

α——阻尼指数。

设计时，通过调整粘滞阻尼器的阻尼系数C和阻尼指数α，通过优化计算达到较好的减震效果。

本桥抗震设计的目标是控制主塔内力的同时，兼顾主梁位移(需控制伸缩缝规模)为目标，分别对阻尼系数和阻尼指数的取值进行了优化。

3.1.1 阻尼系数的优化

阻尼指数取α=0.3情况下，对阻尼系数的值进行优化，C值取0、4 000、8 000、12 000、16 000、20 000、24 000(kN/(m·s-1)0.3)(下文阻尼系数单位不再列出)进行比选。E1地震作用下和E2地震作用下梁端梁-墩相对位移如图4所示。

图4 主梁桥墩相对位移随阻尼系数C变化规律

由图4可以看出，未设置阻尼器，E2地震作用下，漂浮体系斜拉桥纵向相对位移值为1.66 m，显然不能满足设计要求。设置阻尼器后，随着阻尼系数值的增加，主梁和墩顶相对位移值(决定伸缩缝伸缩量的大小)迅速减小，当阻尼系数增加到一定值后，减小趋势变缓。继续增加阻尼系数，对相对位移值改善有限。阻尼系数为20 000，E2地震作用下位移为0.246 m，相比未设阻尼器，减小幅度85.2%；阻尼系数增加为24 000，E2地震作用下位移为0.218 m，减小幅度86.9%，相比阻尼系数20 000，改善有限。故本桥阻尼系数最终取20 000作为设计值。

桥塔处阻尼器位移-阻尼力滞回曲线如图5所示。

图5 阻尼器位移-阻尼力滞回曲线

由图5可以看出，最大阻尼出力为1 882 kN，阻尼器最大位移为0.308 m。故单幅桥需要阻尼力2 500 kN的阻尼器个数为8个，阻尼器行程采用±400 mm即可满足设计需求。

图6为阻尼器速度时程曲线，可以看出阻尼器最大速度接近1 m/s，故阻尼器出力和阻尼系数的比值接近于1。

图6 阻尼器速度时程曲线

E1地震作用下和E2地震作用下塔柱底部顺桥向弯矩如图7所示。

图7 桥塔底部弯矩随阻尼系数C变化规律

设置纵向阻尼器之后，E1地震和E2地震作用下，桥塔的纵向地震响应均大幅度降低，如阻尼系数为20 000，E2地震作用下，桥塔底部弯矩最大减少63.7%；E1地震作用下，桥塔底部弯矩减少57.7%。可见设置纵向粘滞阻尼器对于斜拉桥主塔的纵向响应，无论是位移还是内力均有很好的减震效果。

但对于不同地震动，并不一定是阻尼系数越大减震效果越好。E1地震作用下，阻尼系数为16 000时，墩底部弯矩减少幅度最大，达到62%，阻尼系数再增加时，墩底弯矩反倒略有反弹，阻尼系数24 000时，减少幅度降低为53%。

对于E2地震动作用下，随着阻尼系数增大，墩底弯矩呈减少趋势，但阻尼系数继续增加，其减震效果变缓。同时注意到，阻尼系数增加，势必会增加阻尼器的用量，阻尼器布置和局部连接构造的设计将变得困难。故综上分析可见，阻尼系数的值，并不是越大越好，应综合考虑位移和内力的减震效果以及经济因素等综合确定。

3.1.2 阻尼指数的优化

阻尼指数同样是阻尼器选择的一个重要参数，工程应用中α值一般取0.2～0.5。本桥针对阻尼指数α值进行了优化。α值分别取0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5共7种工况进行了计算分析，阻尼系数C值取20 000进行计算。图8给出了E1地震和E2地震作用下梁端梁和墩相对位移(控制伸缩缝的伸缩量)随阻尼指数α的变化曲线。

图8 梁-墩相对位移随阻尼指数α变化规律

E1地震作用下，梁端梁墩相对位移随着阻尼指数α的增大，变化趋势不明显。E2地震作用下，相对位移随着阻尼指数α的增大，梁端位移呈增大趋势，α=0.2时，相对位移最小为0.219 m；α=0.5时，相对位移增加到最大为0.306 m。阻尼系数越小，对控制梁端梁墩相对位移越有利。

不同阻尼指数下，E1和E2地震作用下塔柱底部顺桥向弯矩如图9所示。

图9 桥塔底部弯矩随阻尼指数α变化规律

E1地震作用下，随着阻尼指数的增加，桥塔底部弯矩值呈较少趋势，阻尼系数越大，内力响应越小。α=0.5比α=0.2减小幅度为18.8%。而对于E2地震作用，随着阻尼指数值的增加，则呈增加趋势，增加幅度有限，α=0.5比α=0.1增加幅度为6.4%。

此外，对比分析了不同阻尼指数情况下，阻尼器出力大小随着阻尼指数α的变化规律，如图10所示。

图10 阻尼器出力随阻尼指数α变化规律

由图10可以看出阻尼器出力随着阻尼指数增加越来越小，阻尼指数增加，对阻尼器受力来说是有利的。

综上，设计时应综合考虑梁端位移、主塔受力要求以及阻尼器出力大小等因素，选择α值的大小。本桥选取α值为0.3作为最终确定值，原因是α=0.3时，梁端位移较小、主塔内力值不大，且阻尼器出力均能满足受力要求。

3.2 横向抗震体系

斜拉桥横向结构体系对比分析了3种体系下计算情况：(1)横向漂浮体系，地震时横向约束释放；(2)横向全约束；(3)横向阻尼约束体系，采用粘滞阻尼器。

表1为3种结构体系下，斜拉桥横向地震响应对比。其中横向阻尼约束体系中，7号桥墩和8号桥墩各采用阻尼力1 500 kN粘滞阻尼器2个；10号墩采用阻尼力2 500 kN粘滞阻尼器2个。阻尼器行程均为±400 mm。

表1 3种结构体系下桥梁地震响应

从表1可以看出：

(1) 横向约束体系梁端位移最小，但桥墩内力较大，桥墩检算很难通过，且对支座要求较高。

(2)横向漂浮体系则相反，桥墩内力较小，但梁端横向位移较大，发生地震后主梁纠偏困难；

(3) 阻尼约束体系梁端位移响应则介于两者之间，且桥墩的内力最小。

综上，采用阻尼约束体系，结构受力最合理，保证了桥梁在大震作用下的安全。考虑到正常使用的要求，边墩和辅助墩横向固定支座在非地震状态下作用同普通支座，在大震状态下则被剪断从而解除横向约束，保证横向粘滞阻尼器的正常工作。故需采用专门设计的抗震支座，满足相关设计要求。

4 结论

通过对唐山市二环路上跨津山铁路斜拉桥进行了设置粘滞阻尼器的纵、横向减震的优化设计，得出以下结论。

(1)一般情况下，阻尼系数越大，减震效果越好，但阻尼系数增加到一定程度后，减小幅度变小，且阻尼系数过大后，阻尼力过大，对于阻尼器布置和局部连接的设计将会困难。

(2)阻尼指数对桥梁结构响应影响相比阻尼系数要小，对于本桥，阻尼指数越小，梁端位移越小；对内力响应，总体影响不大；对于阻尼力，阻尼指数越小，阻尼力越大。设计时应综合考虑阻尼指数对位移、结构内力响应、阻尼力等影响规律合理选取。

(3)桥梁抗震设计的目标需综合考虑梁端梁-墩相对位移(控制伸缩缝规模)以及考虑主塔底部受力(控制结构配筋)以及经济因素等综合确定。阻尼系数和阻尼指数选择时应针对上述目标进行参数分析，合理选择。

(4)对横向抗震体系，相比横向漂浮和横向约束体系，横向设置阻尼器的阻尼体系可使得桥墩内力响应最小，且横向位移控制在合理范围之内，其抗震性能最合理。

本桥减震设计成果可供类似桥梁减震设计时参考。

[1] 张蓓雯.高烈度区单线铁路大跨混凝土连续梁桥抗震设计[J].铁道标准设计，2012(8)：40-45．

[2] 刘洪占，刘爱乔，姚君芳.高烈度地震区客运专线长联不对称预应力混凝土连续梁桥设计[J].铁道标准设计，2012(8)：52-55．

[3] 岳迎九.金水沟特大桥弹塑性抗震分析[J].铁道标准设计，2014(9)：79-84．

[4] 陈永祁.桥梁工程液体粘滞阻尼器设计与施工[M].北京:中国铁道出版社，2012．

[5] 徐秀丽，刘伟庆，李龙安，等.斜拉桥结构减震设计优化研究[J].地震工程与工程振动，2006，26(2):119-124．

[6] 王志鹏.深水库区铁路斜拉桥地震反应分析[J].铁道标准设计，2014(6)：66-69．

[7] 奚灵智，李小刚，韦华.粘滞阻尼器在全漂浮体系斜拉桥抗震设计中的功效分析[J].中外公路，2012(4):103-110．

[8] 韩万水，黄平明，兰燕.斜拉桥纵向设置粘滞阻尼器参数分析[J].地震工程与工程振动，2005，25(6):146-151.

[9] 周友权.粘滞阻尼器在金水沟特大桥中的应用研究[J].铁道标准设计，2012(2)：66-69．

[10]理锋.速度开关型阻尼器在桥梁抗震设计中的应用研究[J]铁道标准设计，2011(7)：35-37.

[11]中国地震局地壳应力研究所.唐山市中心城区环线(二环路)工程场地地震安全性评价[R].北京：中国地震局地壳应力研究所，2014．

[12]中华人民共和国住房和城乡建设部.CJJ166—2011城市桥梁抗震设计规范[S].北京： 中国建筑工业出版社，2011．

Optimized Damping Design of Single Pylon Cable-stayed Bridge in High Intensity Seismic Region

QUAN Wei， ZHANG Lei， WANG Li-wen

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin 300142， China)

The seismic performance of cable-stayed bridges in high intensity seismic region shall meet the specification to resist longitudinal and transverse earthquake action. With reference to the single pylon cable-stayed bridge of Tangshan on second ring road crossing over Jinshan railway， longitudinal viscous dampers are installed on the pylon， while transverse viscous dampers are put in place on the side piers and auxiliary piers to resist the earthquake longitudinally and transversely respectively. Detailed parameter analysis of damping coefficients and damping exponent are conducted and the results show that the relative displacements of beam and pier and the response of pylon should be taken into consideration in order to decide the reasonable parameters， the transverse damping constrained system is better than the floating system and the totally constrained system. The seismic system design of the bridge is reasonable， and good vibration reduction effects are obtained．

High intensity region; Single pylon cable-stayed bridge; Longitudinal damping; Transverse damping; Viscous damper

2015-02-27；

2015-03-11

全 伟(1979—)，男，高级工程师，2008年毕业于大连理工

大学，工学博士，E-mail:24633047@qq.com。

1004-2954(2015)10-0068-05

U448.27

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.016