長聯大跨連續鋼桁梁抗震型式研究

李金銘

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安　710043)

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長聯大跨連續鋼桁梁抗震型式研究

李金銘

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安710043)

摘要：以黃大線黃河特大橋主橋(120+4×180+120) m下承式連續鋼桁梁結構為實際工程背景， 研究非線性黏滯阻尼器對該橋抗震性能的影響。利用Midas/civil建立空間有限元模型，選用適合橋址處場地等級及地震特性的3條地震波，采用非線性時程分析方法，檢算在活動墩與主梁之間設置液體黏滯阻尼器裝置和無阻尼器的不同抗震效果。結論表明在活動墩與主梁之間設置液體黏滯阻尼器裝置，有效協調各活動墩在動力作用下的參與工作，降低固定主墩地震力，有效提高主橋的地震設防標準。

關鍵詞：鐵路橋；鋼桁梁 ； 減隔震 ；阻尼器

工學學士，E-mail：80447108@qq.com。

1工程概況

黃大線黃河特大橋是黃大鐵路最為關鍵的控制性大型橋梁工程，地處山東省東北部黃河下游魯北平原區，在山東省濱州市東北的利津縣附近跨越黃河，距離黃河入海口約100～120 km。橋址位于七度地震區(地震動峰值加速度a=0.1g，地震動反應譜特征周期Tg=0.70 s)，主橋為1聯(120+4×180+120) m下承式連續鋼桁梁結構，聯長達961.5 m，上部結構質量約17 000 t，地震力已成為橋梁下部結構的主要控制因素。如何既保證大橋的抗震安全性，又不致使造價增加，在經濟與安全之間進行合理平衡，提出合理的橋梁抗震設防安全度原則、確定合理的結構體系具有非常重要的意義。

黃河特大橋主橋上部結構采用(120+4×180+120) m下承式明橋面連續鋼桁梁，鋼桁梁全長962 m。鋼梁采用有豎桿三角式平弦桁梁、整體節點，桁高18.0 m，為最大跨徑的1/10；節間長度10 m，桁寬11.0 m，寬跨比為1/16.4，橋面采用常規明橋面體系。鋼桁梁部分主桁構件材質采用Q370qE鋼；橋面系、聯結系等材質采用Q345qE；型鋼材質采用Q235q，連接螺栓采用高強度螺栓，材質選用35VB，抗滑移系數f≥0.45。主橋橋墩全部采用圓端形橋墩，迎水面側設置鋼筋混凝土破冰體。基礎采用直徑1.8 m鋼筋混凝土鉆孔樁。地質條件：據鉆探揭示地表以下80 m范圍內，地層以粉質黏土、粉土為主，沒有良好的天然基礎持力層。橋址范圍內地下水穩定水位埋深1～3 m，地下水位以下15 m范圍部分段落飽和粉土、砂土為液化土層。連續鋼桁梁布置如圖1所示。

圖1　(120+4×180+120) m下承式明橋面連續鋼桁梁布置(單位：cm)

2阻尼器在大跨橋梁減隔震設計中的應用

一般情況下，鐵路連續梁在一聯梁中僅設1個固定墩，由其獨自承受全聯的縱向水平地震力，故全聯的抗震能力完全由固定墩決定；為抵抗地震產生的巨大水平力，固定墩的體量遠大于其他橋墩，隨著上部結構質量的增加，這種情況將更為明顯，將使固定墩很難滿足設計要求，尤其對長聯大跨連續結構；因而可有效提高橋梁整體抗震能力的減隔震[1]措施越來越得到人們的重視，目前工程上應用較廣的方法就是在滑動墩設置黏滯阻尼器[2，3]，地震時滑動墩和制動墩共同承擔水平地震力，進而提高橋梁的整體抗震能力，而在正常條件下溫度等變形卻不受約束。其中，較為成熟且適用于大跨度橋梁的減隔震措施主要是設置液體黏滯阻尼器。液體黏滯阻尼器的基本構造由活塞、缸體、流體和節流孔組成。缸內充滿硅油或其他黏滯流體，活塞在缸體內可做往復運動，活塞上有節流孔。所謂節流孔是指具有比油缸截面積小的流通通路。這類裝置是利用活塞前后壓力差使硅油流過節流孔產生阻尼力，典型的液體黏滯阻尼器構造如圖2～圖4所示。

圖2　液體黏滯阻尼器基本構造

圖3　江陰大橋黏滯阻尼器

圖4　臺灣高速鐵路C-270段黏滯阻尼器

3阻尼器參數選擇及有限元模型

3.1　阻尼器設置概況

黃大線黃河特大橋主橋(120+4×180+120) m連續鋼桁梁分別在115、116、118、119號活動墩頂設置4組黏滯阻尼器，每組設置4個阻尼器，分設于橋墩兩側主桁下，總共16個阻尼器。阻尼器一端固定在橋墩上，另一端固定在主桁下弦的底板，具體連接方式見圖5。115號墩與節點E12連接，116號墩與E30節點連接，118號墩與節點E56連接，119號墩與節點E72連接，其中節點E12與E72，E30與E56分別沿連續鋼桁梁中心對稱。

圖5　阻尼器連接示意

3.2　黏滯阻尼器的參數[4，5]

(1)阻尼器的額定阻尼力

黏滯阻尼器的阻尼力滿足以下方程

其中，F為阻尼力；C為阻尼系數；V為荷載的作用速率；α為指數[6]。

本橋所用的阻尼器額定阻尼力F=2 000 kN，C=2 500，α=0.5，達到額定阻尼力時的速度V=0.64 m/s。

(2)阻尼器的沖程位移

阻尼器的位移應包括溫度和地震作用下的位移，考慮到地震和溫度同時發生的概率較小，因此阻尼器的設計位移量按以下公式計算

Δ=1.5Δe+0.5Δt=208.4mm

其中，地震引起的位移Δe按照歐洲規范應在計算值的基礎上乘以1.5的放大系數；溫度變化的位移按照設計規范進行設計。最大沖程位移取±250mm。

3.3　有限元模型及參數選取

本橋采用MIDAS/Civil2012建立該橋的空間有限元模型(圖6)，采用動力時程分析方法[7]計算，主橋鋼桁梁各桿件、橋墩均采用梁單元模擬，基礎按等效彈簧剛度換算為墩底節點彈性支承處理。全橋共計1 201個節點，2 906個單元。本工程項目進行了場地地震效應評價，自地震效應評價報告中選取3條地震波[8]作為計算輸入，活動墩墩頂液體黏滯阻尼器采用黏彈性消能器中Maxwell模型模擬，如圖7所示，為線性彈簧與阻尼器串聯的模型，適用于流動黏彈性裝置。

圖6　黃河特大橋主橋空間有限元模型

圖7　Maxwell模型的力-變形關系及簡圖

Maxwell模型[9]的力-變形關系式如下

式中，消能器阻尼(Cd)取5 000 kN(m/s)；參考速度(VO)取1.0 m/s；阻尼指數(s)決定黏彈性消能器的非線性特性的常數(黏彈性阻尼力作用方向與位移速度的方向相反，并為速度絕對值的三次方成正比)， 非線性阻尼指數取0.5；連接彈簧剛度(kb)為將消能器與結構連接起來的彈簧的剛度，其值取6×107kN。

4動力分析結果

本次設計針對主橋分別按設置黏滯阻尼器和無阻尼器的情況進行了設計比選，固定墩采用117號墩，活動墩采用控制計算的116號橋墩，比較結果詳見表1、表2。

表1　縱向地震力作用下墩底內力及樁頂外力

表2　縱向地震力作用下墩身及基礎檢算結果

經計算，橫向地震力并不控制下部結構設計，主墩由縱向地震力控制[10]。在不設減隔震措施的情況下，本橋主墩需采用30根φ1.8 m的樁基礎，樁基需采用

2.99%[11]的配筋率，也就是說采用φ32 mm的HRB400鋼筋，2根1束，需在樁基礎內配置2圈；較常規僅在樁基內配置1圈鋼筋的情況將增加鋼筋定位、混凝土施工的難度，也使得施工質量控制難度加大。在不設減隔震措施的情況下，只能通過增加結構尺寸的方式來抵抗地震力，但隨著結構尺寸增加，基礎剛度也將增大，而剛度增加使地震力隨之增大，因而導致結構尺寸增加，而抗震性能提高有限甚至出現相反的效果。經過計算分析也證實，在增加樁基根數的情況下配筋情況改善并不明顯。

若采用在活動墩設置液體黏滯阻尼器的方式，在不增加活動墩工程措施的情況下，主墩水平力將大幅下降，除橋墩縱向尺寸由7.5 m降為6.0 m、樁基由30φ1.8 m減為24φ1.8 m外，樁基鋼筋也僅需布設φ28 mm的HRB400鋼筋，2根1束布設1圈即可，施工與常規樁基礎工程一致。且樁基長度也由90 m縮短為78 m，施工條件大為改善。

在采用液體黏滯阻尼器后，固定墩的水平力及承臺底彎矩大幅降低，活動墩的水平力及彎矩有所增加，從而在主墩下部結構工程量減小的基礎上，僅需適當增加活動墩下部結構的鋼筋量即可滿足結構的抗震性能；設置阻尼器后下部結構可減少投資542萬元，基本與阻尼器價格相當；考慮到阻尼裝置對本橋整體抗震性能的提升作用，本次設計推薦主橋連續鋼桁梁分別在主橋活動墩頂設置4組液體黏滯阻尼器，每組設置4個阻尼器的抗震設計方案。采用黏滯阻尼器對結構自振周期影響甚小，這與黏滯阻尼器的減震實質一致[12]。采用阻尼器與無阻尼器的抗震設計方案自振特性對比見表3。

表3　主橋前5階振型特點及自振周期

5結語

在罕遇地震條件下，傳統的結構抗震設計方法是依靠增加結構構件的尺寸、配筋從而提高結構自身的強度、變形能力來滿足抗震要求，而一旦發生超出設計地震烈度的強烈地震，結構幾乎會不可避免地將產生嚴重的損傷和破壞。因此，傳統的鐵路橋梁抗震設計方法存在許多嚴重弊端，應當引入減隔震設計方法，黃河特大橋主橋采用阻尼器減隔震措施后，可大大減少傳遞到下部結構的地震力和能量，提高結構的抗震性能，增強鐵路橋梁抵御地震災害的能力。

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Research on Seismic Pattern of Long Span Continuous Steel Truss

LI Jin-ming

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

Abstract：With reference to the practical engineering of Yellow River main bridge (120+4×180+180) m on Huang～Da Railway of concrete-filled continuous steel truss beam structure， this paper studies the influence of the nonlinear viscous damper on anti-seismic performance. A space finite element model is built with Midas/civil and three seismic waves suitable for site grade and seismic characteristics of bridge site are selected to study the anti-seismic effect of the fluid viscous damper device installed or not installed between the non-fixed pier and the main beam with nonlinear time history analysis. By setting up fluid viscous damper between the non-fixed pier and the main girder， the non-fixed pier is effectively coordinated under the dynamic action， the seismic force of the fixed pier is reduced and the seismic fortification standard of the main bridge is effectively improved.

Key words：Railway bridge; Steel truss girder; Seismic Isolation; Damper

作者簡介：李金銘(1981—)，男，工程師，2005年畢業于西南交通大學，

收稿日期：2015-06-15； 修回日期：2015-06-30

中圖分類號：U442.5+5

文獻標識碼：ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.01.012

文章編號：1004-2954(2016)01-0055-04