3塔地锚式悬索桥的减隔震分析

罗晓媛　张忠良　刘　钥　颜晓芸

(中国市政工程西北设计研究院有限公司　武汉　430056)

3塔地锚式悬索桥的减隔震分析

罗晓媛张忠良刘钥颜晓芸

(中国市政工程西北设计研究院有限公司武汉430056)

摘要为了确定3塔地锚式悬索桥有效的减隔震措施，采用非线性时程分析方法对固定、漂浮2种不同约束体系的结构动力特性及地震响应进行分析，采用粘滞阻尼器和隔震支座进行纵、横向减隔震研究，并对其效果进行分析。结果表明，设置阻尼器和隔震支座都能有效减小关键部位的位移，以及塔底的内力。通过对比，采用铅心橡胶隔震支座作为潮河大桥的减隔震装置更为合理。

关键词3塔地锚式悬索桥地震响应粘滞阻尼器铅心橡胶支座滞回曲线

潮河大桥设计方案采用主桥桥跨布置为64 m+136 m+136 m+64 m地锚式悬索桥。主梁为钢加劲梁，标准段钢梁高2.0 m。主缆理论垂度为27.2 m，理论垂跨比为1∶5；边跨主缆理论垂度为6.319 m，理论跨度为66.5 m，理论垂跨

比为1∶10.52。每根主缆由19×127Ф5.0 mm的高强度钢丝组成，钢丝极限抗拉强度1 670 MPa。上、下游2根主缆的中心间距为30 m，主缆锚固于桥台锚室中。全桥共104根吊索、16根钢吊杆。潮州大桥立面布置见图1。

图1　主桥桥跨布置立面图(单位：m)

减隔震的基本目的是要大大减小传递到结构上的地震响应，其抗震能力是通过延长结构周期，增加耗能能力来实现[1]。本文考虑了2种不同约

束体系：①固定体系，主塔纵、横向限位；②漂浮体系，主塔横向限位，对3塔地锚式悬索桥不同的约束体系进行动力特性分析和地震反应分析比较，并采用粘滞阻尼器和隔震支座进行减震研究，以选取合理的减隔震方式。

参考文献

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1固定体系与漂浮体系

1.1　动力特性的对比

桥位处场地抗震基本烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，抗震设防类别为甲类，设防烈度为8°。E1地震采用T=50年，P=10%的时程波进行地震计算，结构的地震响应分析考虑水平方向和竖直方向的组合。在进行地震分析时首先进行动力特性计算，承台底考虑土-基础相互作用，采用m法计算出基础弹簧刚度模拟非线性边界进行计算。

固定、漂浮体系的前6阶振型的自振频率及振型主要特点见表1。

表1　不同结构体系的动力特性表

由表1可见，固定体系与漂浮体系最大的差别是第一阶频率不同，动力特性随着体系约束条件的变化而发生改变，在纵飘体系中，主梁在纵桥向没有任何约束，纵桥向刚度最弱，故第一阶振型为主梁纵飘。接下来的后几阶振型都是以主梁的竖向振动和主塔的侧向弯曲为主，说明主梁的竖向刚度相对较弱，主塔的侧向刚度次之。

1.2　地震响应的对比

本文选用3塔地锚式悬索桥关键部位(主梁端部、主塔顶部等)的位移响应和中塔塔底关键截面的内力响应(塔底弯矩和剪力等)作为减隔震措施研究的主要控制指标。

不同体系下关键部位的位移响应和内力响应见表2。

表2　关键部位内力、位移表

从表1可见，在纵向地震下有无纵向约束其响应相差很大。表2的对比结果表明，在纵桥向地震激励作用下，固定体系在纵向限位的情况下会产生很大的纵向水平力，中塔塔底会承受巨大的纵向弯矩，且中塔顶的纵向位移较大，但梁端纵向位移较小；而漂浮体系在中塔没有纵向约束的情况下主梁梁端会产生较大的位移响应，但同时改善了中塔顶的纵向位移和中塔底的纵向内力响应。

2种体系在横向地震激励作用下梁端的支座横向剪力较大，对支座的要求较高，若释放支座处的横向约束，则梁端的横向位移又会很大，发生地震后主梁的纠偏难度很大。为了同时控制中塔塔底关键截面的内力响应和主梁、主塔在地震激励下的位移响应，可以通过增设粘滞阻尼器或者隔震支座来控制。

2减震控制分析

结构减震控制根据是否需要外部能量输入可分为被动控制、主动控制、半主动控制、智能控制和混合控制[2-3]。本文采用被动控制中的基础隔震(隔震支座)和耗能减震(粘滞阻尼器)方式对潮河大桥进行减隔震，通过耗能装置产生的滞回变形来吸收或耗散地震输入结构中的能量，以减小主体结构自身的地震响应。

2.1　铅心隔震支座

近年来，各国学者研究开发出多种隔震装置，其中铅心橡胶支座以其良好的隔震和耗能性能以及它既能支承上部主体结构重量又能提供弹性恢复力的优点[4]，被认为是进行桥梁隔震的较理想的装置。本文在梁端设置4 500 kN的隔震支座，在主塔与梁交界处设置不同承载力的隔震支座。采用Midas计算的动力特性和动力响应见表3，表4。

表3　结构动力特性表

表4　不同承载力隔震支座的关键部位内力、位移表

从动力特性表3可以看出，采用铅心隔震支座后，第一阶振型的周期比固定体系要长，第一阶振型为主梁一阶正对称侧弯，且前3阶振型均以主梁侧弯和纵飘为主，第四阶振型才是主梁竖弯，主要是由于带铅心隔震支座的主梁横、纵向刚度比竖向刚度要小的缘故。故与固定体系相比，设置不同型号的铅心隔震支座后中塔底关键截面的内力响应显著减小。铅心隔震支座可通过延长结构周期降低结构的地震力，但同时会增大结构位移响应，虽然增加结构的阻尼会对关键部位位移有改善作用，但跟中塔受限制的固定体系相比，梁端纵向位移有所增加。

与漂浮体系相比，设置铅心隔震支座后，第二阶振型是主梁纵飘，其频率较原体系的纵飘频率大，塔底关键截面的纵向内力响应有所改善。第一阶和第三阶振型为主梁侧弯，而原漂浮体系中不存在侧弯的振型，故与原体系相比，横向内力响应显著减小。

2.2　阻尼器

阻尼器大致分为位移相关型和速度相关型。对于速度相关型的材料粘弹性和液体阻尼耗能装置，由于耗能构件作用于结构上的阻尼力总是与结构的速度方向相反，使结构在运动过程中消耗能量，以达到耗能减震的目的。粘滞阻尼器是根据粘滞液体在阻尼器中流动时与阻尼器之间发生相互作用，使流体运动的动能转化为热能，从而耗散地震输入能量的原理制成的，是一种无刚度的速度相关型阻尼器[5]。

本文在梁端设置纵、横向1 000 kN型号的阻尼器，主塔和梁交界处纵、横向各设置不同型号的速度型粘滞阻尼器。恢复模型采用Maxwell模型[6]，参考速度vo为0.65 m/s，阻尼指数α采用0.3，采用不同阻尼型号的动力特性和动力响应见表5。

表5　不同阻尼器作用下的关键部位内力、位移表

非线性粘滞阻尼器可以在较小的速度下输出较大的阻尼力，耗能能力强，在地震荷载作用下，粘滞阻尼器通过耗散大量地震能量而减小结构的位移和内力响应，且粘滞阻尼器的阻尼力与结构位移不同步，并不显著增加结构的内力，从而避免或减缓结构的破坏。

减隔震结构的基本周期是与隔震装置的等效刚度密切相关的，从动力特性表3可知，采用阻尼器后，第一阶振型的周期比原固定体系要长，前3阶段振型为主梁侧弯和纵飘，直到第四阶振型才是主梁竖弯，且竖弯频率跟原体系相差很小，故与固定体系相比，设置不同型号的阻尼减震后中塔底关键截面的内力响应显著减小。增设阻尼器虽然可通过延长结构周期降低了结构的地震力，但会增大结构位移响应，故梁端纵向位移增加。

设置阻尼器后，第三阶振型才是主梁纵飘，且纵飘频率跟原漂浮体系相差很小，故与漂浮体系相比，中塔底关键截面的纵向内力响应相差很小，而横向内力响应显著减小。但增设阻尼器会增加结构的阻尼，因而在关键部位位移会有改善作用，梁端纵向位移减小。

2.3　对比

根据上文计算结果，引入减震率f的概念，比较2种减震措施的效果，减震率计算公式为：

式中：S为结构响应。

与固定体系和漂浮体系相比，各控制指标在加入减隔震措施前、后的减震率见表6。

表6　不同承载力隔震支座与不同型号阻尼器的减振率(取平均值)

结果表明，铅心隔震支座的减震率大于阻尼器。同时粘滞阻尼器应用于大跨度桥梁减震，可能存在如下问题[7]：①粘滞阻尼器的稳定性、耐久性问题需要进一步研究；②粘滞阻尼器耗能效率的不确定性，在弹塑性状态下，目前还没有成熟的方法或软件能对粘滞阻尼器结构进行精确的分析求解；③粘滞阻尼器在运作过程中产生的动态刚度对结构的负面影响；④我国对粘滞阻尼器应用于桥梁结构缺乏相应的设计制作规程、施工与验收及维护管理的标准。

相比之下，铅心隔震支座构造简单、加工制造容易、安装方便，价格上相对便宜，并且可以通过调节铅心的直径或截面积来选定阻尼，因而支座的设计有较大灵活性。在荷载反复作用下，铅心橡胶支座可以保持它的性能，具有良好的耐久性。铅棒的灌入，同时也增加了支座的早期刚度，对控制风反应和抵抗地基的微震动有利[8]。

鉴于以上情况，在潮河大桥中选用铅心隔震支座作为减震控制的装置。

3结论

(1) 本文通过Midas空间动力有限元分析模型对固定、漂浮2种不同的结构体系进行对比：对于固定体系，结构中塔塔底关键截面的内力响应较大；对于漂浮体系，主梁梁端的纵向位移响应较大。为了同时控制中塔塔底关键截面的内力响应和主梁、主塔在地震激励下的位移响应，可以通过增设粘滞阻尼器或者隔震支座来控制。

(2) 分别采用铅心隔震支座和粘滞阻尼器对潮河大桥进行减隔震计算，结构的动力特性随约束条件的变化而改变，尤其是对主桥的第一阶振型及振型的次序影响比较显著，加入减隔震措施以后的第一阶振型为主梁一阶正对称侧弯，前几阶振型以主梁侧弯和纵飘为主，说明加入减隔震措施后，主梁在纵、横向的刚度比主梁竖向和主塔侧向弱，几种体系在主梁竖向和主塔侧向的动力特性相近。增设减隔震装置后延长结构的自震周期从而避开了地震的卓越周期范围，减小了地震能量的输入，从而有效地减小桥梁的地震响应。

(3) 在地震激励下，采用铅心隔震支座和粘滞阻尼器与固定体系相比，中塔底关键截面的纵、横向内力响应显著减小，中塔顶纵向位移也有所改善，但梁端位移较大；与漂浮体系相比，中塔底关键截面的横向内力响应显著减小，纵向内力响应也有所改善，关键部位位移也有明显改善作用，但减震率较小。

(4) 通过计算比较采用铅心隔震支座的减震率大于阻尼器，结合铅心隔震支座的优点，故在潮河大桥中选用铅心隔震支座作为减震控制的装置。

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收稿日期：2015-06-13

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.05.003