双塔斜拉桥组合减隔震装置抗震研究

郑晓虎

摘 要：桥梁工程在地震中遭受了重大损失，因此人们越来越重视桥梁抗震设计。本文以某双塔斜拉桥为工程背景，通过组合减隔震装置的应用进行抗震分析。采用Midas/Civil 2019有限元软件建立桥梁空间有限元模型，对普通支座连接、摩擦摆球形支座连接、摩擦摆球型支座+黏滞流体阻尼器连接三个模型进行抗震分析，结果表明组合减隔震装置可以有效改善桥梁结构的受力情况，几种减隔震装置可以协同作用，能够有效提高桥梁的抗震性能。

关键词：摩擦摆球形支座;粘滞流体阻尼器;组合减隔震;时程分析

中图分类号：U442.55         文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）11-0155-03

桥梁作为交通枢纽，在地震中一旦发生破坏，将会带来严重的生命、财产损失，因此桥梁抗震是桥梁设计中一个重大课题。由于斜拉桥具有跨越能力强、造型美观、稳定性强等特点，自这种桥型问世以来，一直受到桥梁工程师的喜爱，截止目前国内外已经修建了数百座斜拉桥。但由于斜拉桥历史较短，经受大地震的考验较少，仅有两座已知斜拉桥的震害资料。因此对斜拉桥抗震性能进行进一步研究具有重要意义。

目前，通过应用减隔震装置来优化桥梁结构的抗震性能已经成为了桥梁抗震设计的有效途经，随着大量的理论研究和工程实例，又产生了一些新的减隔震装置，例如粘滞流体阻尼器、铅芯橡胶支座、超高阻尼橡胶支座、摩擦摆球形支座等。在实际工程中，往往只选用一种减隔震装置就可以取得一定的减隔震效果。各种减隔震装置的作用机理截然不同，其发挥的作用也有很大差异，将两种减隔震装置组合使用，可以使它们更好地发挥作用，从而进一步改善桥梁的抗震性能。本文以某双塔斜拉桥为工程依托，通过引入摩擦摆球型支座和粘滞流体阻尼器，探究组合减隔震装置对双塔斜拉桥抗震性能的影响。

1工程背景

该桥为主跨208m的双塔双索面半漂浮体系斜拉桥，跨度布置为102+208+102米，桥面宽度为33米。主梁采用单箱双室截面，桥塔采用门式钢桁架结构，主梁以上桥塔高75米，共设32对斜拉索。粘滞流体阻尼器阻尼系数C=130kN/（mm/s）α，阻尼指数α=0.5，最大阻尼力为3000kN，行程为500mm;全桥材料配置如下表1所示。

2 有限元模型建立及动力特性分析

本文采用Midas/Civil有限元分析软件建立全桥模型，如图1所示。全桥共有1574个节点，2226个单元，其中主梁、桥塔、墩采用空间梁单元模拟，斜拉索采用空间桁架单元模拟，普通支座采用弹性连接模拟，擦摆球型支座和黏滞阻尼器根据其参数，在软件中通过特定的单元进行模拟。建立三个分析模型：模型1，在横系梁与主梁、辅助墩出用普通支座连接;模型2，在横系梁与主梁、辅助墩出采用摩擦摆球型支座连接;模型3，在模型2的基础上加黏滞流体阻尼器。

对斜拉桥进行动力特性分析是斜拉桥抗震的分析的前提条件，根据已经建立的桥梁动力分析模型，利用 Midas 中的多重RItz向量法对该斜拉桥进行模态分析，计算模态取50，并且在表 2中给出了前 10 阶模态的振型。由下表可知加入擦摆球型支座和黏滞阻尼器该桥的自振频率会减小，相应其自振周期会增大，3种模型的自振频率的大小差异主要集中在前几阶，其高阶振型中频率的差距并不大。

3地震时程分析

3.1地震波输入

地震波选用方法有类比地震波方法和人工地震波方法。本文选用软件中带有的1940， El Centro Site，270 Deg波，EPA=0.2950g，EPV=0.250m/s，Tg=0.5440s，下图给出该地震波地面加速度时程曲线图：

根据输入的地震波对建立的3个模型进行时程分析。

3.2位移对比分析

本文选取墩顶纵向和横向位移、主梁纵向和横向位移进行对比分析。由下图可知设置擦摆球型支座和黏滞阻尼器可以显著减小该桥在地震作用下的变形。模型1、模型2、模型3的最大纵向位移分别为40.46mm、27.45mm、12.00mm，最大横向位移分别是19.04mm、14.55mm、15.65mm，设置擦摆球型支座可以使桥墩纵向位移减小至原来的3/2，横向位移减小至原来3/4左右，组合减隔震装置可以进一步减小桥梁变形，使桥墩纵向位移减小至原来的1/3，横向位移减小至原2/3左右。与墩顶位移相比，设置擦摆球型支座和黏滞阻尼器对其主梁的变形有更大的改善作用。

3.3整体内力分析

选取桥梁整体的轴力、剪力、弯矩、应力作为主要考察目标，设置减隔震装置以后其内力有显著减小，其内力峰值如下表所示。设置组合减隔震装置以后其内力比设置单一的减隔震装置的内力改善效果更加明显，其轴力减小35%左右，剪力减小40%左右，弯矩减小50%左右。

4结语

通过设置擦摆球型支座可以有效改善斜拉桥在地震作用下的受力和变形，在模型2的基础上，在顺桥方向和横向方向附加黏滞阻尼器后，墩顶位移、主梁位移和主梁加速度都进一步减小;整桥的轴力、剪力、弯矩和应力同样有明显的减小，反映出黏滞阻尼器能对该桥起到良好的控制效果，表明擦摆球型支座和加黏滞阻尼器同时使用的组合减隔震装置可以有效改善斜拉桥抗震性能。

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