多种减隔震装置共同作用的斜拉桥抗震分析

王 军，王 萍，王泽银

（1.西安市政设计研究院有限公司，陕西 西安 710068；2.内蒙古阿拉善盟公路运输维护中心，内蒙古 阿拉善盟 750306）

0 引 言

对于斜拉桥等位于高烈度地区的重要桥梁，采用传统的抗震理念有时很难满足规范抗震计算要求。因此，在设计过程中通常采用在塔与梁之间增设阻尼约束装置，形成塔、梁阻尼约束体系，以有效降低地震位移反应。近年来，黏滞流体阻尼器广泛用于桥梁抗震设计中，能起到较好的耗能和减震的作用[1]。其主要原理是以黏滞流体为阻尼介质，用于吸收、耗散外部输入装置，属于速度相关的被动型阻尼器[2]。

1 工程概况

宝鸡市陈仓渭河特大桥位于宝鸡市陈仓区，南起现状高新大道，往北上跨滨河南、北路、渭河，然后向北下穿西宝高速，接现状陈仓中路。桥梁全长1007.5m，其中主桥总长300m。主桥为双塔双索面预应力混凝土斜拉桥，跨径布置为74m+152m+74m，采用半漂浮体系，主梁采用“Π”型主梁断面，如图1、图2所示。

图1 主桥总体布置图（单位：cm）

图2 主塔断面图（单位：cm）

1.1 地质水文条件

桥址区在区域上属渭河河谷区，微地貌单元属渭河河漫滩区，河谷开阔平坦。自上而下主要地层分布为素填土、粉质黏土、中粗砂、卵石、粉质黏土、砾砂。地下水类型为潜水，受大气降水和渭河上游河流地下水补给，排泄方式为蒸发和向河流下游渗流。

1.2 主梁形式与断面布置

主梁采用边主梁（Π型）截面，梁高2.3m。边梁之间设横隔板，并与其形成横纵相连的梁格体系。斜拉索在边梁中心锚固于梁底。主梁宽30.6m，主塔位置处主梁宽28.6m，边主梁宽2m，主塔处渐变宽为2.8m、端横梁处渐变宽为2.2m。为改善主梁受力，方便设置纵向预应力，边主梁在底缘内侧设置悬臂。主梁断面布置如图3所示。

图3 主梁横断面图（单位：cm）

2 斜拉桥抗震设计

2.1 黏滞阻尼器

在主梁和墩台之间的纵桥方向布置4个黏滞阻尼器，横桥方向布置4个黏滞阻尼器。布置位置如图4所示，参数见表1。

图4 阻尼器平面布置图（单位：m）

表1 阻尼器参数

2.2 隔振支座

根据摩擦摆球型支座力学特性，在MidasCivil软件中采用了滞后系统单元进行模拟，采用如图5所示的双折线弹塑性弹簧单元进行模拟。图6中，K1为屈服前水平刚度；K2为屈服后水平刚度；Qy为屈服力。对于组合式高效阻尼器，采用的是黏滞流体阻尼器，在软件中采用Maxwell模型模拟。

图5 斜拉桥动力分析模型

图6 隔震支座双折线弹簧单元复力模型

3 有限元模型与动力特性分析

3.1 动力分析模型

根据桥梁结构的总体构造布置，采用大型有限元软件MidasCivil2019建立了结构动力特性和地震响应分析的三维有限元模型。将主梁、主塔、桥墩和桩模拟为考虑了剪切变形的三维弹性梁单元；将土层分层离散为文克尔弹簧，采用分层文克尔土弹簧模拟桩基础受到的土体影响，弹簧刚度依据“m法”取值。

桥址处设计基本地震动峰值加速度为0.20g，抗震设防烈度为8度。场地类别为Ⅱ类。考虑到隔震支座的非线性对结构地震反应的影响，采用非线性时程分析的方法对结构的地震响应进行有限元动力分析。选取50a超越概率为2%的地震时程作为E2地震时程。时程波图形如图7所示。

图7 地震波时程曲线

3.2 动力特性分析

结构采用摩擦摆球型支座，设计在E1地震作用下支座限位装置没断开前起限位作用，结构为抗震体系，自振特性见表2。但在E2地震作用下设定支座限位装置断开，释放二次位移，结构成为减隔震体系，特征分析结果见表3。

表2 振动频率和振动周期

表3 E2地震作用下结构弹性验算

结构E2减隔震体系（限位装置断开）自振特性如图8至图13所示。

图8 第一阶振型

图13 第六阶振型

图9 第二阶振型

图10 第三阶振型

图11 第四阶振型

图12 第五阶振型

4 抗震分析

4.1 主塔墩身与桩基验算

钢筋混凝土桥塔塔身与桩基在地震作用下的抗弯强度验算，应首先将其截面划分为纤维单元。深色区域和浅色区域分别为约束核心混凝土纤维区域和非约束混凝土区域，如图14、图15所示。采用实际的钢筋和混凝土应力-应变关系分别模拟钢筋和混凝土单元。其次，采用数值积分法逐级加变形进行截面弯矩-曲率分析(考虑相应轴力)，得到截面M-φ（弯矩-曲率）曲线，计算简图如图l6所示。限于篇幅，本文仅列出主要构件的时程分析结果。

图14 主塔墩身截面

图15 主塔2m桩基截面

图16 等效屈服曲率

在E2地震工况下，支座限位装置断开起到了隔震和减震的作用，结构抗震性能进行验算见表3。从表3中数据可知，各墩墩底、桩顶截面均处在完全弹性阶段。液体黏滞阻尼器通过活塞与容器间的相对运动提供阻尼力，达到减震的目的。其对地震引起的结构变形却能迅速耗能，而且能减少结构加速度和位移[3-5]。图17、图18反映出阻尼器滞回曲线饱满，耗能效果较好。

图17 顺桥向阻尼器滞回曲线

图18 横桥向阻尼器滞回曲线

4.2 支座验算

支座的水平抗剪力设计值按竖向承载力的10%考虑。采用摩擦摆球型支座，在E2地震作用下达到一定力后，支座水平限位断开，释放支座二次位移。

由E2地震响应结果可知，在限位装置断开后，支座纵横向最大位移为245mm和186mm；支座纵横向阻尼位移均为±400mm，满足位移需求。

5 结 语

本文通过考虑斜拉桥受力特点，采用摩擦摆球型支座加黏滞阻尼器减隔震方案，考虑桩土作用，合理构建空间有限元模型，进行了斜拉桥的抗震分析与设计。主要结论有：

（1）采用多种减隔震装置方案，能进一步减小塔梁的纵横向相对位移和结构内力。

（2）黏滞阻尼器滞回曲线线性合理饱满，减震耗能明显。E2地震作用下，结构处于完全弹性状态，多种减隔震装置效果明显。