大跨度跨海斜拉桥抗震装置研究

2016-12-09王兹刚

工程与建设 2016年3期

关键词：双曲面斜拉桥阻尼器

王兹刚

(广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东广州 510507)

大跨度跨海斜拉桥抗震装置研究

王兹刚

(广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东广州 510507)

大跨度跨海斜拉桥的基础多采用高桩承台形式，承台尺寸较大且桩基础自由桩长较长，给桥梁结构的抗震设计带来较大挑战。以通明海特大桥主桥为工程实例，分析研究几种不同的抗震设计装置，为大跨度跨海斜拉桥的抗震设计提供新的思路和方法。

大跨度；斜拉桥；高桩承台；抗震装置

大跨度跨海斜拉桥的基础形式多采用高桩承台钻孔灌注桩，承台尺寸较大；由于主跨跨越主航道处水深一般较深，并且要考虑长期冲刷对河床的影响，桩基础自由桩长往往较长；海洋环境风速较大，结构设计时要兼顾抗风、抗震要求[1]。因此，除需在概念设计中采用抗震性能较好的结构形式外[2]，往往还需设置必要的减隔震装置[3]。

桥梁常用减隔震装置主要有橡胶支座、铅芯橡胶支座、摩擦摆支座、钢滞回阻尼器及液压阻尼器等[4]。而对于斜拉桥，常用装置主要有粘滞阻尼器[5-7]、铅芯橡胶支座[8]、弹性连接装置[7]及双曲面球形减隔震支座[9]等。本文以通明海特大桥主桥为研究基础，提出几种不同的抗震设计方案，并进行对比分析，最终采用经济、安全、耐久、可靠的抗震方案。

1 工程背景

通明海特大桥跨越湛江东海岛通明海域，该处场地特征周期在重现期2000年时达到1.1 s；考虑一般冲刷后，主桥主塔处桩基的自由长度达到30 m，因此，对抗震提出较高要求。为了达到安全、经济的目的，需对结构进行减隔震设计。

桥梁中常用的阻尼器有速度相关型和位移相关型2种，速度相关型如粘滞阻尼器，位移相关型如钢阻尼器[10]。方案设计阶段尝试几种不同的减隔震装置，主要有双曲面球形减隔震支座、粘滞阻尼及钢阻尼等，对各种装置的减隔震效果进行对比分析。

1.1 结构布置

通明海特大桥主桥跨径布置为146 m+338 m+146 m，采用双塔双索面组合梁斜拉桥结构形式，结构体系采用半漂浮体系。塔梁间及过渡墩处分别设置2个单向支座，横向约束，纵向可自由活动。桥梁结构布置及各构件尺寸如图1～图3所示。

图1 桥型布置图

图2 主梁横断面图

图3 主塔结构图

1.2 地震动

根据《安评报告》，E1及E2下(即重现期分别为475年及2000年)水平加速度反应谱公式为

(1)

水平加速度反应谱参数见表1所列；反应谱曲线如图4所示。

表1 加速度反应谱参数

图4 加速度反应谱曲线

地震动输入采用重现期为2 000 a的7条人工地震波，该7条波与重现期为2 000 a的加速度反应谱对应,结构地震反应(内力、变形和位移)取7条人工波地震反应最大值的平均值。

1.3 有限元模型

采用有限元分析软件Sap 2000 建立动力分析计算模型，主梁、桥墩及桥塔均采用梁单元进行模拟。减隔震装置C型钢阻尼及双曲面支座采用Plastic(Wen)单元模拟，粘滞阻尼采用Damper单元模拟。主梁节点和斜拉索吊点以及桥塔与拉索锚固区用主从关系模拟；承台近似刚体进行模拟，质量堆积在承台质心；在承台底采用6个方向的弹簧对桩基础进行模拟。由于引桥对主桥的抗震性能有较大影响[11]，模型中同时建立两端各一联引桥。

2 纵向减隔震装置

结构采用半漂浮体系，过渡墩支座及主塔支座纵向均无约束。为了降低结构在纵向地震作用下的内力及位移，塔梁间采用2种减隔震方法，即纵向粘滞阻尼和纵向钢阻尼进行分析，并与纵向不采用减隔震装置进行对比。粘滞阻尼器方案为1个塔梁间设置4个粘滞阻尼器，阻尼系数为3 000 kN/(m/s)0.4，阻尼指数为0.4。钢阻尼方案为1个塔梁间设置2个C型钢阻尼器，屈服力为4 000 kN。3种设计方案对比如图5所示。

图5 纵向地震下反应内力及梁端位移

根据以上分析结果，纵向地震作用下，不采用减隔震装置时，结构内力及梁端纵向位移均较大，尤其是梁端位移。采用钢阻尼或粘滞阻尼均取得良好的减隔震效果。在给定参数下，粘滞阻尼效果优于钢阻尼。粘滞阻尼对斜拉桥地震下的位移有较好控制效果[12]，本桥塔梁间的纵向减隔震装置最终采用粘滞阻尼方案。

3 横向减隔震装置

3种减隔震方案对比如图6所示。

图6 横向地震下反应内力及支座变形

过渡墩支座及主塔支座横向均约束，塔梁间减隔震设计选取双曲面支座、横向钢阻尼、横向粘滞阻尼3种方案进行对比分析。同样，粘滞阻尼器方案为1个塔梁间设置4个粘滞阻尼器，阻尼系数为3 000 kN/(m/s)0.4，阻尼指数为0.4。钢阻尼方案为1个塔梁间设置2个C型钢阻尼器，屈服力为4 000 kN。双曲面球形减隔震支座方案为1个塔梁间设置2个双曲面支座代替单向支座，双曲面支座摩擦系数为0.02，曲面半径为5 m。通过3种方案对比看出，双曲面支座难以取得理想的减隔震效果，在地震作用下支座变形较大，而又没有有效降低地震内力。钢阻尼或粘滞阻尼均取得良好的减隔震效果，在给定参数下，钢阻尼的效果优于粘滞阻尼。本桥塔梁间横向减隔震装置最终采用钢阻尼方案。