河口黄河大桥减隔震措施研究

2017-01-05胡焱文

城市道桥与防洪 2016年12期

关键词：阻尼器斜拉桥剪力

胡焱文

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃兰州 730030）

河口黄河大桥减隔震措施研究

胡焱文

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃兰州 730030）

河口黄河大桥主跨360 m，为我国Ⅷ度及以上地震区最大跨度的斜拉桥，桥塔设计受抗震控制，需采取合理的减隔震措施保证结构的安全和经济性。介绍了河口黄河大桥的地震非线性时程分析方法，重点分析对比了不同参数下塔梁弹性约束和使用液体黏滞阻尼器两种隔振体系的结构响应。结果表明，相对于塔梁弹性约束体系，设置液体黏滞阻尼器对减少本桥地震效应更为有效，其研究成果对同类大桥的设计与计算工作具有一定理论指导作用。

Ⅷ度地震区斜拉桥减隔震弹性约束液体黏滞阻尼器

1 工程概况

河口黄河大桥是兰州（新城）至永靖沿黄河快速通道的重点控制性工程，为跨越黄河河口水库而设。大桥主桥为双塔双索面结合梁斜拉桥，主跨跨径360 m，边跨跨径177 m，主塔高99 m；两边跨各设置一个辅助墩，主桥孔跨布置为77 m+100 m+ 360 m+100 m+77 m，主桥全长714 m，见图1。为提高主桥的抗震性能并满足施工需要，主梁采用钢-混组合梁。斜拉索采用空间扇形索面布置。桥塔采用钢筋混凝A字型塔，塔高99m，塔柱采用弧形空透隔板连接。

图1 河口黄河大桥桥型布置图（单位：m）

河口黄河大桥为目前甘肃省最大跨度的斜拉桥，也是我国Ⅷ度及以上地震区最大跨度斜拉桥。桥塔设计由于受地震效应控制，须采取减隔震措施。对于半飘浮体系斜拉桥，设置液体粘滞性阻尼器是减隔震的有效措施。但是塔梁间设置一定的弹性连接，同样可以改善结构的动力性能，达到减隔震的目的，日本多多罗大桥便采用了弹性连接措施。本文重点从设置弹性连接和液体黏滞阻尼器两种思路出发，提出合理的减隔振措施，并对设计参数进行优化。

2 地震响应分析方法[1-5]

2.1 抗震设防标准的确定

河口黄河大桥主跨跨径360 m，根据《公路桥梁抗震设计细则》的规定，河口大桥抗震设防类别为A类。根据工程场地地震安全性评估报告提供的场地特征,结合国内大跨度桥梁的抗震设防标准，本桥采用两水准设防，两水准分别采用50 a10%超越概率与50 a2%超越概率。重现期475 a的E1地震作用下不应发生损伤；重现期2 000 a的E2地震作用下可发生损伤，但地震后应能立即维持正常交通通行。

2.2 地震动参数

设计基本地震动加速度峰值为0.2 g，桥址位于Ⅱ类场地，阻尼比取为0.03。根据《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01-2008)的规定，A类桥梁应保证在E2水准下处于弹性。根据地震安全性评价报告提供的资料，E2水平地震加速度时程见图2。

图2 2%超越概率加速度时程曲线

2.3 动力计算模型

采用Midas建立全桥动力计算模型，为获得和真实结构较为接近的动力特性，计算建模着重于准确的模拟结构的刚度、质量及边界条件，使其尽量与实际情况相符。桥塔、主梁采用6个自由度的梁单元模拟，主梁为开口断面，自由扭转刚度较小，为了考虑约束扭转刚度的贡献，采用梁格计算模型，即由两个边梁、横梁和桥面板共同组成主梁计算模型；斜拉索采用3个自由度的桁架单元模拟；桩基采用三维梁单元模拟，将群桩周围的土按照刚度原则简化为抗压弹簧，弹簧的一端与桩相连，另一端固定。模型见图3。

图3 动力计算模型

2.4 边界条件

本桥为双塔三跨空间索面结合梁斜拉桥，采用半漂浮结构体系。斜拉索与主梁和桥塔间采用刚性连接；桥台、辅助墩处横向、竖向自由度按刚性连接模拟,不约束转动、扭转自由度和纵向自由度；考虑桩基的柔性约束刚度,将桩基对桥塔的约束作用等效为刚度矩阵形式进行约束,考虑线性自由度和转动自由度的耦合约束效应。桥塔横梁与主梁之间竖向和横向均按刚性连接模拟,不约束转动自由度,根据不同的减隔振措施约束纵向自由度。

3 减隔震措施研究

3.1 塔梁弹性连接的减隔震效应

塔梁处设置一定刚度的纵向弹性约束，一方面可以减小汽车制动力、纵向静风载等产生的塔底弯矩和塔梁水平位移，另一方面，对比半漂浮、塔梁固结、塔梁弹性这三种约束体系，半漂浮体系的纵向刚度最低，周期最长，塔柱的内力反应最小，但在高地震烈度区会导致相当大的位移；塔梁固结体系的纵桥向刚度最大，周期最短，在地震作用下位移反应最小，但是其导致的塔柱内力反应最大，且因温度引起的主梁轴力和塔根弯矩也相当大；塔梁弹性约束体系是以上两种体系的一个折中方案，可以在桥梁的位移和内力之间进行协调。在地震作用下，通过选用适当的弹性约束刚度，塔、梁弹性约束体系能够兼顾桥梁的强度和变形能力。

在塔梁弹性约束体系中，弹性约束刚度的取值对桥梁的内力和位移有着直接的影响。随着弹性约束刚度的增大，体系的整体刚度增大，周期减小，因此位移减小。一般认为，桥面系的水平惯性力也随着约束刚度的增大而增大，传递到塔底的惯性力也增大，因此塔底截面的内力将增大。而塔底截面的弯矩,还与惯性力的传递途径及其力臂有关,因此变化规律比较复杂。

根据有限元计算结果，控制截面弯矩与弹性连接刚度关系曲线见图4，剪力与弹性连接刚度关系曲线见图5，位移与弹性连接刚度关系曲线见图6。由图4和图6可知，当本桥的塔梁弹性连接刚度小于12 000 kN/m时，随着弹性连接刚度的增加，控制截面弯矩及关键点位移基本呈线性降低，弹性连接刚度在12 000 kN/m到2 000 kN/m的区间内，控制截面弯矩及关键点位移均降低至趋于稳定，弹性连接刚度增加到18 000 kN/m时，控制截面弯矩及关键点位移又有所降低，但降低幅度有限。由图5可知，下塔柱剪力随着弹性连接刚度的增大而增大，在弹性连接刚度达到8 000 kN/m后开始下降，上塔柱剪力随着弹性连接刚度的增大而减小。综上所述，认为本桥的塔梁弹性连接刚度取12 000 kN/m是较为经济、合理的。

图4 控制截面弯矩与弹性连接刚度关系曲线

图5 控制截面剪力与弹性连接刚度关系曲线

3.2 设置阻尼器的减隔震效应

对于半飘浮体系斜拉桥，当结构受到地震力作用产生的动力反应过大时，设置黏滞阻尼器是结构被动控制中一种十分有效的消能减震装置。在地震来临时，在不以桥梁结构产生很大的变位和损伤为代价的前提下，可以消耗大量振动能量而又不给桥梁结构附加任何刚度，同时还满足在温度变化、收缩徐变等因素引起的慢速变形时梁体自由的变形，使其不产生附加内力，此外，黏滞阻尼器具有阻尼系数调整幅度大、应用范围广、稳定性好、施工维修方便等技术优势。

图6 位移与弹性连接刚度关系曲线

对于设置阻尼器的桥梁来说，在改变黏滞阻尼器的阻尼系数和速度指数后对桥梁结构的塔底弯矩及梁端位移均会有影响。不同阻尼系数条件下塔底弯矩与速度指数的关系曲线见图7，塔底剪力与速度指数的关系曲线见图8，塔顶位移与速度指数的关系曲线见图9，梁端位移与速度指数的关系曲线见图10。根据计算结果，本桥阻尼系数取8 000，速度指数取0.4较为合理。

图7 塔底弯矩随速度指数α的变化规律

图8 塔底剪力随速度指数α的变化规律

图9 塔顶纵向变形随速度指数α的变化规律

图10 位移与弹性连接刚度关系曲线

3.3 减隔震措施的确定

根据有限元计算结果，控制截面内力对比结果见表1，关键部位的位移对比结果见表2，由表1和表2可见，两种减隔震措施均可以将位移限制到合理值；采用弹性连接的减隔震措施，可以削减下塔柱弯矩，但塔底剪力会随着弹性连接刚度的增大而增大；而采用阻尼器连接，可以大幅度削减下塔柱弯矩、剪力，对减少本桥地震效应更为有效。综上，本桥采用液体黏滞阻尼器更为合理。