多種減隔震裝置共同作用的斜拉橋抗震分析

王 軍，王 萍，王澤銀

（1.西安市政設計研究院有限公司，陜西 西安 710068；2.內蒙古阿拉善盟公路運輸維護中心，內蒙古 阿拉善盟 750306）

0 引 言

對于斜拉橋等位于高烈度地區的重要橋梁，采用傳統的抗震理念有時很難滿足規范抗震計算要求。因此，在設計過程中通常采用在塔與梁之間增設阻尼約束裝置，形成塔、梁阻尼約束體系，以有效降低地震位移反應。近年來，黏滯流體阻尼器廣泛用于橋梁抗震設計中，能起到較好的耗能和減震的作用[1]。其主要原理是以黏滯流體為阻尼介質，用于吸收、耗散外部輸入裝置，屬于速度相關的被動型阻尼器[2]。

1 工程概況

寶雞市陳倉渭河特大橋位于寶雞市陳倉區，南起現狀高新大道，往北上跨濱河南、北路、渭河，然后向北下穿西寶高速，接現狀陳倉中路。橋梁全長1007.5m，其中主橋總長300m。主橋為雙塔雙索面預應力混凝土斜拉橋，跨徑布置為74m+152m+74m，采用半漂浮體系，主梁采用“Π”型主梁斷面，如圖1、圖2所示。

圖1 主橋總體布置圖（單位：cm）

圖2 主塔斷面圖（單位：cm）

1.1 地質水文條件

橋址區在區域上屬渭河河谷區，微地貌單元屬渭河河漫灘區，河谷開闊平坦。自上而下主要地層分布為素填土、粉質黏土、中粗砂、卵石、粉質黏土、礫砂。地下水類型為潛水，受大氣降水和渭河上游河流地下水補給，排泄方式為蒸發和向河流下游滲流。

1.2 主梁形式與斷面布置

主梁采用邊主梁（Π型）截面，梁高2.3m。邊梁之間設橫隔板，并與其形成橫縱相連的梁格體系。斜拉索在邊梁中心錨固于梁底。主梁寬30.6m，主塔位置處主梁寬28.6m，邊主梁寬2m，主塔處漸變寬為2.8m、端橫梁處漸變寬為2.2m。為改善主梁受力，方便設置縱向預應力，邊主梁在底緣內側設置懸臂。主梁斷面布置如圖3所示。

圖3 主梁橫斷面圖（單位：cm）

2 斜拉橋抗震設計

2.1 黏滯阻尼器

在主梁和墩臺之間的縱橋方向布置4個黏滯阻尼器，橫橋方向布置4個黏滯阻尼器。布置位置如圖4所示，參數見表1。

圖4 阻尼器平面布置圖（單位：m）

表1 阻尼器參數

2.2 隔振支座

根據摩擦擺球型支座力學特性，在MidasCivil軟件中采用了滯后系統單元進行模擬，采用如圖5所示的雙折線彈塑性彈簧單元進行模擬。圖6中，K1為屈服前水平剛度；K2為屈服后水平剛度；Qy為屈服力。對于組合式高效阻尼器，采用的是黏滯流體阻尼器，在軟件中采用Maxwell模型模擬。

圖5 斜拉橋動力分析模型

圖6 隔震支座雙折線彈簧單元復力模型

3 有限元模型與動力特性分析

3.1 動力分析模型

根據橋梁結構的總體構造布置，采用大型有限元軟件MidasCivil2019建立了結構動力特性和地震響應分析的三維有限元模型。將主梁、主塔、橋墩和樁模擬為考慮了剪切變形的三維彈性梁單元；將土層分層離散為文克爾彈簧，采用分層文克爾土彈簧模擬樁基礎受到的土體影響，彈簧剛度依據“m法”取值。

橋址處設計基本地震動峰值加速度為0.20g，抗震設防烈度為8度。場地類別為Ⅱ類。考慮到隔震支座的非線性對結構地震反應的影響，采用非線性時程分析的方法對結構的地震響應進行有限元動力分析。選取50a超越概率為2%的地震時程作為E2地震時程。時程波圖形如圖7所示。

圖7 地震波時程曲線

3.2 動力特性分析

結構采用摩擦擺球型支座，設計在E1地震作用下支座限位裝置沒斷開前起限位作用，結構為抗震體系，自振特性見表2。但在E2地震作用下設定支座限位裝置斷開，釋放二次位移，結構成為減隔震體系，特征分析結果見表3。

表2 振動頻率和振動周期

表3 E2地震作用下結構彈性驗算

結構E2減隔震體系（限位裝置斷開）自振特性如圖8至圖13所示。

圖8 第一階振型

圖13 第六階振型

圖9 第二階振型

圖10 第三階振型

圖11 第四階振型

圖12 第五階振型

4 抗震分析

4.1 主塔墩身與樁基驗算

鋼筋混凝土橋塔塔身與樁基在地震作用下的抗彎強度驗算，應首先將其截面劃分為纖維單元。深色區域和淺色區域分別為約束核心混凝土纖維區域和非約束混凝土區域，如圖14、圖15所示。采用實際的鋼筋和混凝土應力-應變關系分別模擬鋼筋和混凝土單元。其次，采用數值積分法逐級加變形進行截面彎矩-曲率分析(考慮相應軸力)，得到截面M-φ（彎矩-曲率）曲線，計算簡圖如圖l6所示。限于篇幅，本文僅列出主要構件的時程分析結果。

圖14 主塔墩身截面

圖15 主塔2m樁基截面

圖16 等效屈服曲率

在E2地震工況下，支座限位裝置斷開起到了隔震和減震的作用，結構抗震性能進行驗算見表3。從表3中數據可知，各墩墩底、樁頂截面均處在完全彈性階段。液體黏滯阻尼器通過活塞與容器間的相對運動提供阻尼力，達到減震的目的。其對地震引起的結構變形卻能迅速耗能，而且能減少結構加速度和位移[3-5]。圖17、圖18反映出阻尼器滯回曲線飽滿，耗能效果較好。

圖17 順橋向阻尼器滯回曲線

圖18 橫橋向阻尼器滯回曲線

4.2 支座驗算

支座的水平抗剪力設計值按豎向承載力的10%考慮。采用摩擦擺球型支座，在E2地震作用下達到一定力后，支座水平限位斷開，釋放支座二次位移。

由E2地震響應結果可知，在限位裝置斷開后，支座縱橫向最大位移為245mm和186mm；支座縱橫向阻尼位移均為±400mm，滿足位移需求。

5 結 語

本文通過考慮斜拉橋受力特點，采用摩擦擺球型支座加黏滯阻尼器減隔震方案，考慮樁土作用，合理構建空間有限元模型，進行了斜拉橋的抗震分析與設計。主要結論有：

（1）采用多種減隔震裝置方案，能進一步減小塔梁的縱橫向相對位移和結構內力。

（2）黏滯阻尼器滯回曲線線性合理飽滿，減震耗能明顯。E2地震作用下，結構處于完全彈性狀態，多種減隔震裝置效果明顯。