長(zhǎng)聯(lián)大跨連續(xù)鋼桁梁抗震型式研究

李金銘

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安　710043)

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長(zhǎng)聯(lián)大跨連續(xù)鋼桁梁抗震型式研究

李金銘

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(xù)鋼桁梁結(jié)構(gòu)為實(shí)際工程背景， 研究非線性黏滯阻尼器對(duì)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(chǎng)地等級(jí)及地震特性的3條地震波，采用非線性時(shí)程分析方法，檢算在活動(dòng)墩與主梁之間設(shè)置液體黏滯阻尼器裝置和無阻尼器的不同抗震效果。結(jié)論表明在活動(dòng)墩與主梁之間設(shè)置液體黏滯阻尼器裝置，有效協(xié)調(diào)各活動(dòng)墩在動(dòng)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(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：鐵路橋；鋼桁梁 ； 減隔震 ；阻尼器

工學(xué)學(xué)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(guān)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(qū)，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(qū)(地震動(dòng)峰值加速度a=0.1g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期Tg=0.70 s)，主橋?yàn)?聯(lián)(120+4×180+120) m下承式連續(xù)鋼桁梁結(jié)構(gòu)，聯(lián)長(zhǎng)達(dá)961.5 m，上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量約17 000 t，地震力已成為橋梁下部結(jié)構(gòu)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(jià)增加，在經(jīng)濟(jì)與安全之間進(jìn)行合理平衡，提出合理的橋梁抗震設(shè)防安全度原則、確定合理的結(jié)構(gòu)體系具有非常重要的意義。

黃河特大橋主橋上部結(jié)構(gòu)采用(120+4×180+120) m下承式明橋面連續(xù)鋼桁梁，鋼桁梁全長(zhǎng)962 m。鋼梁采用有豎桿三角式平弦桁梁、整體節(jié)點(diǎn)，桁高18.0 m，為最大跨徑的1/10；節(jié)間長(zhǎng)度10 m，桁寬11.0 m，寬跨比為1/16.4，橋面采用常規(guī)明橋面體系。鋼桁梁部分主桁構(gòu)件材質(zhì)采用Q370qE鋼；橋面系、聯(lián)結(jié)系等材質(zhì)采用Q345qE；型鋼材質(zhì)采用Q235q，連接螺栓采用高強(qiáng)度螺栓，材質(zhì)選用35VB，抗滑移系數(shù)f≥0.45。主橋橋墩全部采用圓端形橋墩，迎水面?zhèn)仍O(shè)置鋼筋混凝土破冰體。基礎(chǔ)采用直徑1.8 m鋼筋混凝土鉆孔樁。地質(zhì)條件：據(jù)鉆探揭示地表以下80 m范圍內(nèi)，地層以粉質(zhì)黏土、粉土為主，沒有良好的天然基礎(chǔ)持力層。橋址范圍內(nèi)地下水穩(wěn)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(xù)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(xù)鋼桁梁布置(單位：cm)

2阻尼器在大跨橋梁減隔震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

一般情況下，鐵路連續(xù)梁在一聯(lián)梁中僅設(shè)1個(gè)固定墩，由其獨(dú)自承受全聯(lián)的縱向水平地震力，故全聯(lián)的抗震能力完全由固定墩決定；為抵抗地震產(chǎn)生的巨大水平力，固定墩的體量遠(yuǎn)大于其他橋墩，隨著上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量的增加，這種情況將更為明顯，將使固定墩很難滿足設(shè)計(jì)要求，尤其對(duì)長(zhǎng)聯(lián)大跨連續(xù)結(jié)構(gòu)；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(yīng)用較廣的方法就是在滑動(dòng)墩設(shè)置黏滯阻尼器[2，3]，地震時(shí)滑動(dòng)墩和制動(dòng)墩共同承擔(dān)水平地震力，進(jìn)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(shè)置液體黏滯阻尼器。液體黏滯阻尼器的基本構(gòu)造由活塞、缸體、流體和節(jié)流孔組成。缸內(nèi)充滿硅油或其他黏滯流體，活塞在缸體內(nèi)可做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞上有節(jié)流孔。所謂節(jié)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(jié)流孔產(chǎn)生阻尼力，典型的液體黏滯阻尼器構(gòu)造如圖2～圖4所示。

圖2　液體黏滯阻尼器基本構(gòu)造

圖3　江陰大橋黏滯阻尼器

圖4　臺(tái)灣高速鐵路C-270段黏滯阻尼器

3阻尼器參數(shù)選擇及有限元模型

3.1　阻尼器設(shè)置概況

黃大線黃河特大橋主橋(120+4×180+120) m連續(xù)鋼桁梁分別在115、116、118、119號(hào)活動(dòng)墩頂設(shè)置4組黏滯阻尼器，每組設(shè)置4個(gè)阻尼器，分設(shè)于橋墩兩側(cè)主桁下，總共16個(gè)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(hào)墩與節(jié)點(diǎn)E12連接，116號(hào)墩與E30節(jié)點(diǎn)連接，118號(hào)墩與節(jié)點(diǎn)E56連接，119號(hào)墩與節(jié)點(diǎn)E72連接，其中節(jié)點(diǎn)E12與E72，E30與E56分別沿連續(xù)鋼桁梁中心對(duì)稱。

圖5　阻尼器連接示意

3.2　黏滯阻尼器的參數(shù)[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(xiàn)為阻尼力；C為阻尼系數(shù)；V為荷載的作用速率；α為指數(shù)[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(dá)到額定阻尼力時(shí)的速度V=0.64 m/s。

(2)阻尼器的沖程位移

阻尼器的位移應(yīng)包括溫度和地震作用下的位移，考慮到地震和溫度同時(shí)發(fā)生的概率較小，因此阻尼器的設(shè)計(jì)位移量按以下公式計(jì)算

Δ=1.5Δe+0.5Δt=208.4mm

其中，地震引起的位移Δe按照歐洲規(guī)范應(yīng)在計(jì)算值的基礎(chǔ)上乘以1.5的放大系數(shù)；溫度變化的位移按照設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。最大沖程位移取±250mm。

3.3　有限元模型及參數(shù)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(dòng)力時(shí)程分析方法[7]計(jì)算，主橋鋼桁梁各桿件、橋墩均采用梁?jiǎn)卧M，基礎(chǔ)按等效彈簧剛度換算為墩底節(jié)點(diǎn)彈性支承處理。全橋共計(jì)1 201個(gè)節(jié)點(diǎn)，2 906個(gè)單元。本工程項(xiàng)目進(jìn)行了場(chǎng)地地震效應(yīng)評(píng)價(jià)，自地震效應(yīng)評(píng)價(jià)報(bào)告中選取3條地震波[8]作為計(jì)算輸入，活動(dòng)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(lián)的模型，適用于流動(dòng)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(guān)系及簡(jiǎn)圖

Maxwell模型[9]的力-變形關(guān)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(shù)(s)決定黏彈性消能器的非線性特性的常數(shù)(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(duì)值的三次方成正比)， 非線性阻尼指數(shù)取0.5；連接彈簧剛度(kb)為將消能器與結(jié)構(gòu)連接起來的彈簧的剛度，其值取6×107kN。

4動(dòng)力分析結(jié)果

本次設(shè)計(jì)針對(duì)主橋分別按設(shè)置黏滯阻尼器和無阻尼器的情況進(jìn)行了設(shè)計(jì)比選，固定墩采用117號(hào)墩，活動(dòng)墩采用控制計(jì)算的116號(hào)橋墩，比較結(jié)果詳見表1、表2。

表1　縱向地震力作用下墩底內(nèi)力及樁頂外力

表2　縱向地震力作用下墩身及基礎(chǔ)檢算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，橫向地震力并不控制下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主墩由縱向地震力控制[10]。在不設(shè)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(chǔ)，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(chǔ)內(nèi)配置2圈；較常規(guī)僅在樁基內(nèi)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(zhì)量控制難度加大。在不設(shè)減隔震措施的情況下，只能通過增加結(jié)構(gòu)尺寸的方式來抵抗地震力，但隨著結(jié)構(gòu)尺寸增加，基礎(chǔ)剛度也將增大，而剛度增加使地震力隨之增大，因而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)尺寸增加，而抗震性能提高有限甚至出現(xiàn)相反的效果。經(jīng)過計(jì)算分析也證實(shí)，在增加樁基根數(shù)的情況下配筋情況改善并不明顯。

若采用在活動(dòng)墩設(shè)置液體黏滯阻尼器的方式，在不增加活動(dòng)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(shè)φ28 mm的HRB400鋼筋，2根1束布設(shè)1圈即可，施工與常規(guī)樁基礎(chǔ)工程一致。且樁基長(zhǎng)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(tái)底彎矩大幅降低，活動(dòng)墩的水平力及彎矩有所增加，從而在主墩下部結(jié)構(gòu)工程量減小的基礎(chǔ)上，僅需適當(dāng)增加活動(dòng)墩下部結(jié)構(gòu)的鋼筋量即可滿足結(jié)構(gòu)的抗震性能；設(shè)置阻尼器后下部結(jié)構(gòu)可減少投資542萬元，基本與阻尼器價(jià)格相當(dāng)；考慮到阻尼裝置對(duì)本橋整體抗震性能的提升作用，本次設(shè)計(jì)推薦主橋連續(xù)鋼桁梁分別在主橋活動(dòng)墩頂設(shè)置4組液體黏滯阻尼器，每組設(shè)置4個(gè)阻尼器的抗震設(shè)計(jì)方案。采用黏滯阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)自振周期影響甚小，這與黏滯阻尼器的減震實(shí)質(zhì)一致[12]。采用阻尼器與無阻尼器的抗震設(shè)計(jì)方案自振特性對(duì)比見表3。

表3　主橋前5階振型特點(diǎn)及自振周期

5結(jié)語

在罕遇地震條件下，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法是依靠增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸、配筋從而提高結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度、變形能力來滿足抗震要求，而一旦發(fā)生超出設(shè)計(jì)地震烈度的強(qiáng)烈地震，結(jié)構(gòu)幾乎會(huì)不可避免地將產(chǎn)生嚴(yán)重的損傷和破壞。因此，傳統(tǒng)的鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)方法存在許多嚴(yán)重弊端，應(yīng)當(dāng)引入減隔震設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的地震力和能量，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，增強(qiáng)鐵路橋梁抵御地震災(zāi)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(jiǎn)介：李金銘(1981—)，男，工程師，2005年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，

收稿日期：2015-06-15； 修回日期：2015-06-30

中圖分類號(hào)：U442.5+5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.01.012

文章編號(hào)：1004-2954(2016)01-0055-04