設置VFD的大跨度鋼梁拱組合橋減震分析

■黃瑋（1.福建省建筑科學研究院；2.福建省綠色建筑技術重點實驗室，福州350025）

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設置VFD的大跨度鋼梁拱組合橋減震分析

■黃瑋1，2
（1.福建省建筑科學研究院；2.福建省綠色建筑技術重點實驗室，福州350025）

為研究VFD對橋梁結構的減震效果，本文以一大跨度鋼梁拱組合橋為研究對象，分析了其動力特性，并得到環境振動試驗驗證，進而對E1和E2兩階段地震作用下，橋梁的彈塑性地震響應進行了計算，分析結果表明，該橋設置粘滯阻尼器后對墩底內力和墩頂位移都起到良好的減震效果，使橋梁能較好滿足預期的設計需要。

大跨度鋼梁拱組合橋抗震性能動載試驗VFD減震

1工程概況

抗震性能研究對橋梁工程的發展有著相當的重要性［1～3］。福建地處環太平洋火山地震帶，屬國內地震多發地區之一，本文對福建一座大跨度鋼梁拱組合橋進行了彈塑性有限元抗震分析。該橋主橋為上承式鋼梁拱組合橋梁，詳見圖1。橋跨布置為50＋160＋50＝260m。

上部結構雙幅分離，兩幅橋間距1m，單幅橋寬為17.75m，全橋總寬度為36.5m。中跨拱肋拱軸線矢高為10m，矢跨比為1/16，邊跨拱肋拱軸線矢高為1m，矢跨比為1/50。

下部結構采用鉆孔樁基礎，為混凝土結構。上部結構與下部結構之間采用豎向支座相連，單幅橋約束主3號墩兩個支座的縱橋向位移，及每個墩的內側支座的橫橋向位移。為防止過渡墩支座出現脫空，過渡墩支座采用拉壓球型支座。同時，為了改善結構的抗震性能，主橋設置了減震措施，采用了粘滯阻尼器。

設計荷載：汽車荷載為公路-I級，參考城市-A級。人群荷載按3.5kN/m2計入，人行道寬度取5.5m。

主墩及其基礎為雙幅橋整體結構，由墩身、墩座、立柱、承臺和樁基等構造組成。

主墩墩身為縱橋向寬4.5m的等寬墩身，橫橋向寬37.0m，墩身頂面高程為7.7m。墩身采用C40混凝土。主墩墩座縱橋向的橫斷面形狀為小半圓形，橫橋向端頭為球面，圓形表面及球面的半徑均為5.375m，墩座外形的延伸虛擬頂點高程為5m。墩座采用C40混凝土。

主墩承臺為帶圓頭的矩形承臺。承臺長度為57.95m，寬度為12.7m，承臺圓頭的直徑即為承臺寬度12.7m，承臺厚3.5m。承臺采用C35混凝土。

圖1　上承式梁拱組合鋼橋

每個主墩基礎采用28根變截面鉆孔灌注樁，樁底直徑為2.0m，樁頂直徑為2.2m。樁基按嵌巖樁設計，采用C35水下混凝土。樁基鋼護筒內徑為2.2m，壁厚為25mm，采用Q345C鋼。鋼管與混凝土共同參與受力，為了保證其協調受力性能，在鋼管內壁焊接凸起的剪力板，同時，在樁頭設置預埋鋼筋與鋼管焊接。為保證鋼護筒的耐久性，需對鋼護筒進行防腐處理。

2動力特性分析

動力特性分析是橋梁抗震分析的基礎。本文采用完整二次項振型組合法（CQC），可考慮結果振型分布密集時的耦聯作用。前20階振型參與質量達到99%，滿足《建筑抗震設計規范》（GB50011-2001）所規定的大于90%。

為驗證模型的可靠性，進行了動載試驗測試該橋的自振特性。在行車道邊緣布置加速度傳感器，測點布置詳見圖2。利用橋梁結構在各種隨機環境激勵（包括日常隨機車輛、行人、天然風、水流、地脈動等組合）下引起的振動響應，采集響應的加速度信號。本次試驗采樣頻率為100Hz，采樣時間為20min。

實測振動響應信號經試驗模態分析，得到橋梁的豎向基頻，見表1及圖3～圖4。橋梁環境振動測試結果表明，實測基頻為1.76Hz，理論基頻1.64Hz，橋梁實測豎向一階振動振型與有限元理論計算結果基本吻合，模型計算結果合理可靠。

圖2　測點布置圖

表1　自振頻率實測和理論值匯總表

圖3　實測豎向一階振型圖

圖4　理論豎向一階振型圖

3減震性能分析

該地區抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.15g，按《中國地震動反應譜特征周期區劃圖》［5］查的場地特征周期為：0.45s。場地類別為II類場地。單跨跨度超過150m應按9度構造措施設防。

本文分別采用反應譜方法和時程分析法對橋梁E1 和E2地震作用下的響應進行計算，兩者相互校驗。采用時程分析方法時，根據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2011）［6］，由Midas地震波數據庫中，地震波的頻譜特性、有效峰值和持續時間三要素選取了兩條實錄波和一條人造波輸入，并取最大地震響應進行驗算。時程分析中，恒載采用非線性靜力法分析；地震作用采用非線性直接積分法分析。

E1地震作用下構件處于彈性狀態，強度滿足設計要求。E2地震作用下，設置粘滯阻尼器后，地震時程對比圖詳見圖5～圖6及表2～表3，墩底彎矩最大降低54.4%，墩底剪力最大降低45.28%；墩頂位移縱向最大降低41.44%，橫向最大降低11.11%。

通過對比，在E1和E2地震作用下，時程分析法中墩頂截面內力、樁頂截面內力、支座反力、墩頂位移和支座位移相互校核，誤差均在20%的容許范圍之內，且滿足限值要求。

圖5　墩底彎矩地震時程圖

圖6　墩頂位移地震時程圖

表2　墩底內力減震對比表

表3　墩頂位移減震對比表

4結論

本文采用Midas軟件，對福建地區某大跨鋼梁拱組合橋進行了動力性能分析，并與動載試驗結果相互驗證。分析結果表明，設置粘滯阻尼器后，最大可減低54%墩底內力，41%墩頂位移，減震效果良好。在E1地震作用下，全橋構件滿足強度設計要求；在E2地震作用下，能力保護構件亦滿足規范要求。該橋具有足夠的抗震能力，能較好滿足預期的設計需要。

［1］何波，朱宏平，等.大跨薄壁墩連續鋼構橋抗震性能分析［J］.華中科技大學學報（城市科學版），2006.

［2］李林.罕遇地震下空心薄壁高墩大跨T形剛構橋彈塑性地震反應分析［J］.地震工程學報，2013.

［3］張玉娥，白寶鴻，向敏.罕遇地震聯系梁橋抗震性能分析［J］.振動與沖擊，2009.

［4］中華人民共和國住房和城鄉建設部.CJJ166-2011，城市橋梁抗震設計規范［S］.北京：中國建筑出版社，2011.

［5］中國地震局.GB18306-2001，中國地震動參數區規劃圖［S］.中國標準出版社，2001.

［6］中國建筑科學研究院.GB50011-2011，建筑抗震設計規范［S］.中國建筑出版社，2010.