鐵路剛架系桿拱-連續(xù)箱梁組合橋地震響應(yīng)分析

郭 飛

(廣鐵佛山西站工程建設(shè)指揮部，廣東廣州528225)

拱橋是我國鐵路橋梁中常用的橋型之一。我國是一個多地震國家，抗震防災(zāi)工作正日益受到重視。拱橋主拱圈在強烈地震作用下，不僅在拱平面內(nèi)受彎，而且還在拱平面外受扭，當(dāng)?shù)鼗捎趶娏业卣甬a(chǎn)生不均勻沉降時，主拱圈還會發(fā)生斜向扭轉(zhuǎn)和斜向剪切，因此，拱橋主拱圈通常作為橋梁抗震薄弱構(gòu)件，其抗震設(shè)計不宜過分依賴于延性設(shè)計，而應(yīng)該采取適當(dāng)?shù)臏p隔震措施。

目前，半漂浮、全漂浮等隔震體系的采用以及在大跨度橋梁的塔(墩)、梁之間設(shè)置減震裝置以減小結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)已成為一種較成熟的減震控制手段，且報道了大量相關(guān)研究[2-8]。其中，張俊平系統(tǒng)論述了橋梁結(jié)構(gòu)振動控制的發(fā)展，指出了橋梁橋梁結(jié)構(gòu)振動控制的特點和存在的問題[2]；龔一瓊在對橋梁減隔震原理進行分析的基礎(chǔ)上，依據(jù)連續(xù)梁橋在地震作用時受力的特點，對連續(xù)橋梁的固定支座進行了減隔震設(shè)計[3]。研究表明，減隔震措施的采用可大大降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。然而，對于拱橋而言，由于主拱腳具有較大的推力，一般都嵌巖處理，無法采用隔震支承來減少地面運動的輸入。因此，針對拱橋減隔震的相關(guān)研究有待進一步加強。

本文基于結(jié)構(gòu)減隔震機理，以某跨度(24+160+24)m的剛架系桿拱連續(xù)箱梁組合橋為工程背景，對比分析了減隔震措施采用前后橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，并對減震裝置(粘滯阻尼器)參數(shù)進行了合理參數(shù)選取，為拱橋抗震設(shè)計提供參考。

1 計算理論

1.1 減隔震機理

橋梁結(jié)構(gòu)減隔震主要是通過改善橋梁的約束形式以改變橋梁振動的動力特性，即通過增大結(jié)構(gòu)的阻尼、延長振動周期等來達到減振的目的。

地震動的卓越周期一般在0.1～1 s之間，所以自振周期在0.1～1 s之間的結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)在地震時由于共振而被大幅度放大。當(dāng)結(jié)構(gòu)自振周期變大時，可以避開地震動中幅值顯著的分量，從而避免了共振和類共振現(xiàn)象的發(fā)生，減小結(jié)構(gòu)的地震加速度反應(yīng)，但結(jié)構(gòu)周期增大時，如果阻尼不變，則結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)將增大，因此，為控制結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)，在增大結(jié)構(gòu)周期的同時，應(yīng)增大結(jié)構(gòu)的阻尼。

1.2 粘滯阻尼器工作原理

粘滯阻尼器的基本構(gòu)造由活塞、油缸及節(jié)流孔組成，這類裝置是利用活塞前后壓力差使油流過節(jié)流孔產(chǎn)生阻尼力，阻尼力與相對變形的速度關(guān)系可表達為式(1)。

F=CVα

(1)

式中：F為阻尼力，C是阻尼系數(shù)，V是速度，α是阻尼指數(shù)。

對于粘滯阻尼器的模擬，本文采用Maxwell模型，其力-變形關(guān)系見式(2)，模型示意圖見圖1。

(2)

式中:cd為阻尼系數(shù)；v0為參考速度(一般取1.0)；kb為連接彈簧剛度。

圖1 Maxwell模型示意

2 計算條件

以貴廣線某(24+160+24)m剛架系桿拱連續(xù)箱梁組合橋為工程背景。主梁采用單箱三室扁平鋼箱梁，梁高3.706 m，主跨橋面寬26 m，邊跨橋面寬25 m；拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，計算跨度L=160.0 m，矢高f=40.0 m；橫撐采用桁式空鋼管截面；吊桿順橋向間距8 m，橫向吊桿間距24.2 m，采用順橋向雙吊桿體系，全橋共設(shè)17組吊桿；每側(cè)設(shè)6束61孔單根張拉可換索式鋼絞線系桿。支座布置形式為18號主墩支座縱橋向固定，17號主墩以及邊墩支座縱橋向活動。拱橋Midas模型見圖2。

圖2 拱橋Midas模型(單位：m)

本橋橋址區(qū)場地類別屬Ⅱ類，設(shè)計地震分組為1組，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計特征周期0.35 s，峰值加速度0.1g，罕遇地震水平地震基本加速度a為0.21g。根據(jù)橋址區(qū)基本地震動參數(shù)擬合人工地震波，調(diào)整地震波加速度幅值等于0.21g作為罕遇地震等級的輸入地震波，見圖3。

圖3 輸入地震波

橋梁阻尼采用瑞利阻尼模式，結(jié)構(gòu)阻尼比取5%[9]；粘滯阻尼器阻尼系數(shù)C取值2 000～10 000 kN/(m/s)α；從橋梁抗震角度看，阻尼指數(shù)α常用值一般在0.2～1.0范圍內(nèi)[5]。

3 算例

跨徑(24+160+24)m的剛架系桿拱連續(xù)箱梁組合橋原結(jié)構(gòu)體系為拱墩固結(jié)、主梁約束形式等同連續(xù)梁，其中，18號主墩為固定墩，17號主墩以及邊墩均為活動墩。為提高此橋梁抗震能力，采用減隔震體系(釋放18號主墩支座縱橋向約束使主梁縱橋向半漂浮，同時設(shè)置粘滯阻尼器減震裝置)，減震裝置全橋?qū)ΨQ布置，即在17、18號主墩墩頂設(shè)置粘滯阻尼器。

3.1 粘滯阻尼器參數(shù)分析

考察粘滯阻尼器系數(shù)C和粘滯阻尼指數(shù)α的取值對拱橋的受力、變形的影響。圖4給出了拱橋拱肋內(nèi)力、主梁梁端位移隨阻尼參數(shù)的變化規(guī)律，并與未設(shè)置減震裝置的隔震體系響應(yīng)作對比。

(a)阻尼參數(shù)對拱橋軸力的影響

(b)阻尼參數(shù)對拱腳彎矩的影響

(c)阻尼參數(shù)對梁端位移的影響圖4 阻尼參數(shù)對拱橋內(nèi)力、位移的影響

由圖4可知，拱橋拱肋內(nèi)力、主梁梁端位移對阻尼參數(shù)的變化較敏感，且變化規(guī)律性有一定差異。當(dāng)阻尼指數(shù)α一定時，隨阻尼系數(shù)C的增大，拱肋拱腳軸力、主梁梁端位移顯著降低。而對于拱腳縱橋向彎矩，當(dāng)α取值0.2～0.4時，彎矩值隨阻尼系數(shù)C的變化較敏感，且隨著C的增大，拱腳截面彎矩值也增大，并超過了未設(shè)置阻尼器時的拱腳截面彎矩值。當(dāng)α取值0.6～1.0時，彎矩值隨阻尼系數(shù)C的變化較不敏感，彎矩值控制于21 000 kN·m以下；對未設(shè)置減震裝置的隔震體系橋梁進行應(yīng)力計算分析知，地震波作用下拱肋彎曲應(yīng)力為軸向應(yīng)力的2～3倍，故彎矩作為減震參數(shù)選擇的主要控制內(nèi)力。綜合考慮結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移響應(yīng)規(guī)律，可以認為阻尼系數(shù)C取值6 000 kN/(m/s)α，阻尼指數(shù)α取值0.6對結(jié)構(gòu)較合理。

3.2 地震響應(yīng)對比

將減隔震體系橋梁(減震裝置按3.1節(jié)參數(shù)選取)的地震響應(yīng)與原結(jié)構(gòu)體系進行對比。圖5給出了減隔震體系與原體系拱橋拱肋內(nèi)力、主梁梁端位移時程，表1給出了減隔震體系與原體系拱橋拱肋內(nèi)力、主梁梁端位移峰值。

圖5、表1可知，減隔震體系的采用可有效降低結(jié)構(gòu)的內(nèi)力響應(yīng)并控制梁端位移。其中，相比原結(jié)構(gòu)體系，軸力響應(yīng)降低17 %～64 %，彎矩降低20 %～53 %，梁端位移控制在36 mm以下；對于原結(jié)構(gòu)體系橋梁，由于主梁約束形式不對稱，致使拱肋受力不均，拱腳兩側(cè)受力差異較大，減隔震體系的采用，可有效降低其差異性。其中，拱腳軸力響應(yīng)差異量降低15 %，拱腳彎矩響應(yīng)差異量降低10 %。

4 結(jié)論

(1)拱橋拱肋內(nèi)力、梁端位移對阻尼系數(shù)C、阻尼指數(shù)α較敏感，合理選取阻尼參數(shù)，可有效降低結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移響應(yīng)。綜合考慮結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移響應(yīng)規(guī)律，可以認為阻尼系數(shù)C取值6 000 kN/(m/s)α，阻尼指數(shù)α取值0.6對結(jié)構(gòu)抗震較有利。

(2)減隔震體系的采用可有效降低結(jié)構(gòu)的內(nèi)力響應(yīng)并控制梁端位移，提高拱橋的抗震能力。其中，相比原結(jié)構(gòu)體系，軸力響應(yīng)降低17%～64%，彎矩降低20%～53%，梁端位移控制在36 mm以下。

(3)減隔震體系的采用，可促使拱肋兩側(cè)受力趨于均勻。其中，拱腳軸力響應(yīng)差異量降低15 %，拱腳彎矩響應(yīng)差異量降低10 %。

[1] 范立礎(chǔ). 橋梁抗震[M]. 上海：同濟大學(xué)出版社, 1997

[2] 張俊平，李新平，周福霖. 橋梁結(jié)構(gòu)振動控制發(fā)展及存在的問題[J].世界地震工程, 1998, 14(2): 9-16

[3] 龔一瓊，胡勃. 連續(xù)梁橋的減隔震設(shè)計[J]. 同濟大學(xué)學(xué)報, 2001, 29(1): 94-98

[4] 葉愛君，胡世德，范立礎(chǔ). 超大跨度斜拉橋的地震位移控制[J]. 土木工程學(xué)報, 2004, 37(12): 38-43

[5] 鄧穩(wěn)平，王浩. 高烈度區(qū)連續(xù)梁橋減震的粘滯阻尼器參數(shù)分析[J]. 振動與沖擊, 2012, 31(16): 92-97

[6] 王浩，李愛群，郭彤. 超大跨懸索橋地震響應(yīng)的綜合最優(yōu)控制研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版, 2006, 33(3): 6-10

[7] 吳從曉，周云. 高位轉(zhuǎn)換粘滯阻尼減震結(jié)構(gòu)阻尼器合理阻尼系數(shù)研究[J]. 振動與沖擊, 2011, 30(3): 180-184

[8] 余錢華，夏培華. 大跨長聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋地震響應(yīng)[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報, 2009, 28(1): 1-4

[9] 喬普拉. 結(jié)構(gòu)動力學(xué)：理論及其在地震工程中的應(yīng)用[M]. 北京: 高等教育出版社, 2007