银洲湖大桥地震响应分析及抗震性能研究

杨 晔 （苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210000）

1 引言

斜拉桥在大跨度桥梁中得到了广泛应用，具有主塔高、主跨大、主梁较轻、结构柔、阻尼小等结构特点。大跨度斜拉桥塔梁连接处的纵向约束可分为4类：半漂浮体系、漂浮体系、塔梁固结体系和刚构体系。半漂浮体系是斜拉桥广泛采用的一种体系，在地震荷载作用下内力小，但位移较大，一般采用阻尼器以减小主梁纵向位移、减小主塔内力[1]。横桥向斜拉桥由于抗风需求，塔、梁间普遍采用固定约束方式。这种限位体系虽然主塔塔根处的横向地震内力很大，但主塔的截面较大，强度往往能满足抗震要求。而对于斜拉桥边墩，横向如采用限位体系，在地震作用下，桥墩和基础会产生超过其抗震能力的地震反应。因此如何选择合适的阻尼器及横向抗震体系是大跨径斜拉桥抗震设计的关键[2]。本文以一典型斜拉桥为例，介绍大跨径斜拉桥抗震计算及结构体系比选情况。

2 工程背景及地震动参数选择

银洲湖特大桥为双塔双索面混合梁斜拉桥，跨径布置为（56.8+64.8+66.4）+530+（66.4+64.8+56.8）m。其桥型布置如图1所示。

图1 桥型布置图

银洲湖特大桥地震动峰值加速度为0.1g，场地特征周期为0.35s。根据安评报告中E1、E2各提供了3组水平方向的地震波，其中一组如图2所示。

图2 水平方向地震波

3 结构模型与动力特性

结构动力特性是进行地震分析的前提，通过结构动力特性分析，可了解结构的频率分布及振型特点，为初步判定结构的抗震性能提供依据[1]。采用midas civil软件进行建模，用空间梁单元模拟主梁和索塔的刚度，其质量和质量惯性矩则采用节点质量来模拟，斜拉索采用等效桁架单元模拟。斜拉索与主梁之间采用刚臂单元连接；主梁与桥墩、主梁与桥塔的连接按照支座的设置情况采用弹性连接单元模拟，不考虑纵向阻尼器；结构基础模拟时按实际建立桩基，采用m法和土弹簧模拟桩土之间的作用。表1给出了结构动力特性的计算结果。

银洲湖特大桥结构动力特性 表1

4 纵向减隔震设计

银洲湖特大桥结构体系为半漂浮体系，当塔梁之间设置纵向阻尼器时，桥面系的地震惯性力直接受到阻尼器的约束和能量耗散，可达到减小主梁纵向位移、减小主塔内力的效果[3]。

根据国内的工程经验[4]，银洲湖特大桥纵桥向选择粘滞阻尼器。粘滞阻尼器为速度相关型减隔震装置，其阻尼力可由下式求得：

F=C·vn

式中F为阻尼力，C为阻尼系数，v为塔梁之间的相对速度，n为速度指数。

在进行地震响应计算和阻尼器选型分析时，考虑了不同的阻尼系数C和速度指数n的影响，阻尼系数C取1000～3500 kN/(m/s)不等，速度指数取 0.1～0.6，针对不同的参数组合进行了参数分析。

结构响应取E2地震作用下3组地震波的最大值。计算结果如图3所示。

图3 阻尼器参数分析计算结果

对于控制梁端的纵向位移，增大阻尼是有利的，对于索塔塔底弯矩，采用较大的速度指数和较大的系数是有利的，但速度指数增大反而是不利的。对于阻尼器本身而言，阻尼系数越大、速度指数越小，最大阻尼力越大，且基本呈线性关系。

根据上述的参数变化规律，对于控制结构的内力和位移，应取较大的阻尼系数和适中的速度指数；但阻尼系数过大会导致较大的阻尼力使得阻尼器的尺寸增大，且阻尼系数增大到一定程度后，对于内力和位移的影响效率会减弱。因此综合考虑后，银洲湖特大桥纵向阻尼器最终阻尼系数取2500kN/(m/s)n，速度指数n取0.4。此时塔底弯矩相对没有加阻尼器的时候减小了约45%，梁端位移减少了约50%。

5 横向支撑体系

根据国内工程经验，在高震区桥梁横向也会设置减隔震装置以减小地震响应。银洲湖特大桥位于0.1g区，横向地震作用力可通过适当增加下部结构配筋利用自身强度抵抗，因此横向支撑仅采用常规的单向支座或横向抗风支座。

横向约束位置包括索塔、辅助墩和过渡墩。索塔位置必须设置横向支撑，一是需要承受横向风荷载，二是防止地震时塔梁之间的撞击。过渡墩位置一般也应该设置横向支撑，目的是限制正常使用过程中结构的横向位移，以防伸缩缝装置损伤[5]。因此横向支撑体系的研究主要是针对辅助墩是否设置横向支撑。

针对辅助墩处设/不设横向约束分别建立模型进行计算，结构响应取E2地震作用下3组地震波的最大值。计算结果如表3～表5所示。

辅助墩横向约束对辅助墩的影响 表4

辅助墩横向约束对索塔的影响 表5

根据计算结果：①对于过渡墩，辅助墩墩顶无横向约束时，主桥的横向约束仅由主塔及过渡墩承担，过渡墩的内力较大；在辅助墩也加上横向约束后，过渡墩的内力及位移均有一定程度的减小，约减小5%～9%左右。②对于辅助墩，在辅助墩墩顶无横向约束时，内力较小；在增加辅助墩墩顶横向约束后，由于横向地震力一部分由该墩承担，辅助墩的内力及位移均有较大程度的增加，约增加1倍。③对于索塔，在辅助墩增加横向约束后，主塔内力及位移有一定程度的减小，约减小8%～10%。

由以上分析可见，辅助墩设置横向约束后，主塔及过渡墩的横向内力及位移减少有限；但辅助墩自身的受力增加一倍，导致工程规模增加较多。最终确定索塔及过渡墩处设置双向滑动支座+横向抗风支座，辅助墩顶仅设置双向滑动支座。全桥的支撑体系如图4所示。

图4 全桥支撑体系

6 结论

本文针对银洲湖特大桥的纵、横向抗震进行了计算研究：

①纵桥向设置粘滞阻尼器能有效地减小索塔的内力和主梁的梁端位移。通过对阻尼器的参数分析，综合对结构内力、位移以及阻尼器自身受力，确定选择阻尼系数C=2500(kN/(m/s))，速度指数n=0.4，结构受力最优；

②通过计算比选了辅助墩处是否设置横向约束，设置横向约束后辅助墩自身内力增大较大，而对索塔和过渡墩的影响较小，因此确定辅助墩位置不设置横向约束。

通过研究了纵向粘滞阻尼器及其不同参数对结构地震响应的影响，确定了合理的阻尼器参数。同时研究了不同的横向支撑体系下结构的地震响应，确定了合理的横向支撑体系。本文研究成果对类似体系的斜拉桥工程有一定的参考意义。