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(shù)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(shù)重點實驗室，福州350025）

為研究VFD對橋梁結(jié)構(gòu)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(huán)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(jié)果表明，該橋設置粘滯阻尼器后對墩底內(nèi)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(fā)展有著相當?shù)闹匾裕?～3］。福建地處環(huán)太平洋火山地震帶，屬國內(nèi)地震多發(fā)地區(qū)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(jié)構(gòu)雙幅分離，兩幅橋間距1m，單幅橋?qū)挒?7.75m，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(jié)構(gòu)采用鉆孔樁基礎，為混凝土結(jié)構(gòu)。上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)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(nèi)側(cè)支座的橫橋向位移。為防止過渡墩支座出現(xiàn)脫空，過渡墩支座采用拉壓球型支座。同時，為了改善結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，由墩身、墩座、立柱、承臺和樁基等構(gòu)造組成。

主墩墩身為縱橋向?qū)?.5m的等寬墩身，橫橋向?qū)?7.0m，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(nèi)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(xié)調(diào)受力性能，在鋼管內(nèi)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(jié)果振型分布密集時的耦聯(lián)作用。前20階振型參與質(zhì)量達到99%，滿足《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2001）所規(guī)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(jié)構(gòu)在各種隨機環(huán)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(jīng)試驗模態(tài)分析，得到橋梁的豎向基頻，見表1及圖3～圖4。橋梁環(huán)境振動測試結(jié)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(jié)果基本吻合，模型計算結(jié)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(qū)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(qū)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(gòu)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(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2011）［6］，由Midas地震波數(shù)據(jù)庫中，地震波的頻譜特性、有效峰值和持續(xù)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(gòu)件處于彈性狀態(tài)，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(nèi)力、樁頂截面內(nèi)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(nèi)，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(nèi)力減震對比表

表3　墩頂位移減震對比表

4結(jié)論

本文采用Midas軟件，對福建地區(qū)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(jié)果相互驗證。分析結(jié)果表明，設置粘滯阻尼器后，最大可減低54%墩底內(nèi)力，41%墩頂位移，減震效果良好。在E1地震作用下，全橋構(gòu)件滿足強度設計要求；在E2地震作用下，能力保護構(gòu)件亦滿足規(guī)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(xù)鋼構(gòu)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(gòu)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(lián)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(xiāng)建設部.CJJ166-2011，城市橋梁抗震設計規(guī)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(shù)區(qū)規(guī)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(guī)范［S］.中國建筑出版社，2010.