斜拉橋的彈性約束減震研究

邱文亮 余報(bào)楚 方國(guó)強(qiáng)

（大連理工大學(xué)土木水利學(xué)院1） 大連 116024） （大連水產(chǎn)學(xué)院土木工程學(xué)院2） 大連 116023）

0 引 言

斜拉橋被廣泛應(yīng)用于大跨度橋梁中，特別在500m左右的橋梁設(shè)計(jì)中，成為大跨度橋梁的主要橋型.大跨度斜拉橋采用的結(jié)構(gòu)體系主要為飄浮和半飄浮體系，這種結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點(diǎn)是可以避免溫度、混凝土收縮產(chǎn)生巨大的索塔彎矩和主梁拉力，同時(shí)可以通過(guò)主梁的縱向飄移來(lái)減小地震力對(duì)索塔的作用.但是，如果斜拉橋采用完全無(wú)約束的飄浮體系，在地震力作用下，主梁會(huì)產(chǎn)生較大的縱向位移，可以達(dá)到幾十厘米，這將導(dǎo)致斜拉橋主橋和引橋主梁梁端之間相互碰撞，或?qū)е铝后w與橋臺(tái)之間碰撞，并且造成伸縮縫、支座等其他構(gòu)件的破壞，過(guò)大的主梁位移也會(huì)產(chǎn)生很大的索根彎矩和塔頂位移.因此，飄浮體系斜拉橋必須采用合適的約束措施，以減小地震產(chǎn)生的主梁縱向位移.目前，斜拉橋縱向約束方法主要有彈性約束，阻尼器約束、鉛芯抗震支座等［1－3］.其中彈性約束減震是指在梁、塔之間設(shè)置彈性約束，通過(guò)改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力和能量傳遞路徑達(dá)到減震的目的，在國(guó)內(nèi)外多個(gè)斜拉橋中獲得應(yīng)用，同時(shí)彈性約束對(duì)抗風(fēng)和抗制動(dòng)力等有很好的效果［4－6］，筆者在研究中發(fā)現(xiàn)，彈性約束對(duì)不同斜拉橋的減震效果有著很大的差異，受斜拉橋結(jié)構(gòu)形式、斜拉橋跨度、斜拉橋所處的場(chǎng)地類型等多種因素的影響，不能簡(jiǎn)單的借鑒其他斜拉橋的彈性約束設(shè)計(jì).本文對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了研究，得出了相關(guān)結(jié)論和規(guī)律可供同類斜拉橋抗震設(shè)計(jì)時(shí)參考.

1 工程背景及分析模型

1.1 工程背景

本文研究對(duì)象為吉林蘭旗松花江大橋斜拉橋，該橋?yàn)殡p塔單索預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，塔墩固結(jié)，塔梁分離，在塔處設(shè)支座支承主梁，跨度布置為102.5m＋240m＋102.5m，見(jiàn)圖1.該橋位于基本烈度7度區(qū)，由于該橋塔下橋墩高度較小，索塔受溫度和混凝土收縮徐變產(chǎn)生的彎矩較大，此時(shí)計(jì)入地震產(chǎn)生的巨大的塔底彎矩，索塔將無(wú)法設(shè)計(jì).因此，采用合適的減震措施是該類橋梁抗震設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，考慮到彈性約束具有經(jīng)濟(jì)、性能穩(wěn)定、后期維護(hù)費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn)，本橋采用了彈性約束抗震措施.同時(shí)，選擇某建成的450m跨度的預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋作為對(duì)比橋梁，進(jìn)行分析研究，見(jiàn)圖2，以便得到更為普遍的結(jié)論.

圖1 吉林蘭旗松花江大橋（單位：m）

圖2 對(duì)比橋梁（單位：m）

1.2 分析模型及方法

上述斜拉橋動(dòng)力分析模型采用脊梁模式模擬，主梁、索塔、橋墩及樁基礎(chǔ)均采用梁?jiǎn)卧M，簡(jiǎn)化時(shí)對(duì)質(zhì)量分布作精確的模擬；拉索單元為索單元，并用等效彈性模量公式考慮拉索垂度對(duì)剛度的影響；采用節(jié)點(diǎn)彈性支承來(lái)模擬樁周圍土的約束作用，彈性剛度根據(jù)“m”法求得，在取用土層的比例系數(shù)m時(shí)，采用靜力計(jì)算的2倍以考慮動(dòng)力的影響.

地震反應(yīng)分析采用時(shí)程分析方法，地震波采用由人工地震波生成程序產(chǎn)生的擬合于規(guī)范反應(yīng)譜的人工地震波［7－10］，分別對(duì)I～I(xiàn)V 類場(chǎng)地土生產(chǎn)10條人工地震波，最后給出地震反應(yīng)分析結(jié)果為多條地震波地震反應(yīng)的平均值.

2 彈性約束剛度及場(chǎng)地類別的影響分析

在飄浮和半飄浮體系斜拉橋的地震反應(yīng)中，縱向地震力產(chǎn)生的主梁慣性力主要通過(guò)斜拉索傳遞到主塔，在塔梁之間設(shè)置抗震彈性約束后，地震力會(huì)通過(guò)斜拉索和彈性約束2個(gè)途徑傳遞給主塔，對(duì)于塔梁交結(jié)位置的橋塔彎矩來(lái)說(shuō)，彈性約束傳遞內(nèi)力的力臂小于斜拉索傳遞的力臂，使得塔梁交接處索塔彎矩明顯減小，同時(shí)減小了塔頂位移和主梁位移.但是，過(guò)大的塔梁之間約束剛度會(huì)使主梁以下橋墩受到地震產(chǎn)生的巨大水平力和彎矩，同時(shí)使結(jié)構(gòu)受溫度、混凝土收縮徐變影響產(chǎn)生過(guò)大的附加內(nèi)力，另外，過(guò)大的彈性約束在實(shí)橋設(shè)計(jì)時(shí)也難以實(shí)現(xiàn).因此，對(duì)于給定橋梁，應(yīng)綜合考慮多種因素，選擇合適的彈性約束剛度值.

本文研究了在不同場(chǎng)地類別情況下蘭旗大橋和對(duì)比橋梁的地震反應(yīng)與彈性約束剛度的關(guān)系，地震反應(yīng)包括塔梁交結(jié)處索塔彎矩、索塔墩底彎矩、塔頂位移、主梁位移、墩底剪力等，圖3～5給出了部分結(jié)果.針對(duì)蘭旗大橋橋位所處的II類場(chǎng)地，計(jì)算結(jié)果表明：

1）隨著縱向彈性約束剛度K的加大，塔梁交結(jié)處索塔彎矩Mt先減小再增大；如果選擇合適的彈性約束剛度，蘭旗大橋索塔彎矩可降低到無(wú)約束時(shí)的30%，對(duì)比橋梁索塔彎矩可降低到無(wú)約束時(shí)的37%.

2）縱向彈性約束剛度對(duì)索塔墩底彎矩Mp的影響與主梁以下墩高有關(guān)，隨著約束剛度的增大，對(duì)于墩高較小的蘭旗大橋，墩底的彎矩變化不大；而對(duì)于墩高較大的對(duì)比橋梁，墩底的彎矩有明顯的增大.

3）梁端位移db和塔頂位移會(huì)隨著彈性約束剛度的加大而減小，彈性剛度較小時(shí)，位移明顯下降，但彈性剛度增大到一定程度后，位移的下降趨勢(shì)已不明顯.

4）另外，縱向彈性約束的施加會(huì)導(dǎo)致墩底剪力大幅度增加.

圖3 塔梁交接處索塔彎矩

從圖中3～5可知，場(chǎng)地類別對(duì)彈性約束的減震效果影響很大，隨著場(chǎng)地類別從I類到IV類的遞增，塔梁交結(jié)位置的橋塔彎矩都是先下降再上升，但是場(chǎng)地類別越高上升的速度越快；場(chǎng)地類別越高，縱向彈性約束引起的墩底彎矩的增加越大；場(chǎng)地類別越高，塔頂位移下降的趨勢(shì)越緩，以至出現(xiàn)塔頂位移會(huì)上升；場(chǎng)地類別越高，梁端位移的下降趨勢(shì)越緩.

圖4 索塔墩底彎矩

圖5 主梁縱向位移

3 橋面以下索塔墩高對(duì)彈性約束減震效果的影響

對(duì)于大跨徑斜拉橋來(lái)說(shuō)，一旦確定了主跨及邊跨的跨徑，橋面上的索塔高度就基本確定了，但是橋面以下墩的高度可能會(huì)因?yàn)槁肪€線形及所處的地形條件的不同而變化較大，下面研究了基礎(chǔ)以上索塔高度與主跨跨度之比α對(duì)縱向彈性約束減震效果的影響，計(jì)算選取的高跨比α變化范圍為0.30～0.50，縱向彈性約束的剛度取為2×105kN／m，場(chǎng)地類別為II類.圖6～7分別給出了塔梁交接處索塔彎矩、主梁縱向位移與高跨比變化關(guān)系，其中圖中PM和Pd分別為彈性約束施加后塔梁交接處索塔彎矩和主梁縱向位移與彈性約束施加前的比值.

圖6 高跨比對(duì)塔梁交接處索塔彎矩的影響

圖7 高跨比對(duì)梁端縱向位移的影響

由分析結(jié)果可以看出：

1）對(duì)于跨度相對(duì)較小的蘭旗大橋，隨著高跨比α增大，彈性約束對(duì)塔梁交結(jié)位置的橋塔彎矩的減震效果變化較大，α小于0.42時(shí)，PM小于0.5，而α大于0.42后，PM迅速增大，以至于達(dá)到1.67.對(duì)于跨度相對(duì)較大的對(duì)比橋梁，隨著高跨比α增大，PM平緩減小，彈性約束對(duì)塔梁交結(jié)位置的橋塔彎矩的減震效果增加，即當(dāng)PM小于1.0時(shí)，表示彈性約束具有減震作用.

2）對(duì)于蘭旗大橋和對(duì)比橋梁，隨著高跨比α增大，Pd也逐漸增大，即彈性約束對(duì)主梁縱向位移的減震效果變差.這主要是因?yàn)樗魉亩赵礁?，墩的變形越大，從而?dǎo)致主梁和塔頂位移增大.

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)吉林蘭旗松花江大橋和對(duì)比橋梁采用彈性約束的地震反應(yīng)分析可知，對(duì)于飄浮和半飄浮體系斜拉橋，選擇在塔梁之間設(shè)置彈性約束作為抗震措施時(shí)，其減震效果受到多種因素的影響，選擇合適的彈性約束剛度，可以有效的減小塔梁交接處索塔彎矩和主梁位移，但對(duì)墩的剪力和墩底彎矩減小不明顯，甚至有較大的增加；場(chǎng)地土類別對(duì)施加彈性約束后的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)有顯著的影響，場(chǎng)地土類別越高，減震效果越差；對(duì)于跨度、墩高不同的斜拉橋，其采用彈性約束后的減震效果有較大的差異，如墩高越小，減震效果越好.因此，對(duì)于給定的斜拉橋，應(yīng)首先確定該橋地震作用下的薄弱點(diǎn)，準(zhǔn)確選擇場(chǎng)地類別和分析采用的地震波，通過(guò)詳細(xì)的分析來(lái)確定彈性約束剛度，以達(dá)到預(yù)想的減震控制效果，不能盲目地借鑒其他斜拉橋采用彈性減震約束措施.

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