雙塔斜拉橋組合減隔震裝置抗震研究

鄭曉虎

摘 要：橋梁工程在地震中遭受了重大損失，因此人們?cè)絹?lái)越重視橋梁抗震設(shè)計(jì)。本文以某雙塔斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘埃ㄟ^(guò)組合減隔震裝置的應(yīng)用進(jìn)行抗震分析。采用Midas/Civil 2019有限元軟件建立橋梁空間有限元模型，對(duì)普通支座連接、摩擦擺球形支座連接、摩擦擺球型支座+黏滯流體阻尼器連接三個(gè)模型進(jìn)行抗震分析，結(jié)果表明組合減隔震裝置可以有效改善橋梁結(jié)構(gòu)的受力情況，幾種減隔震裝置可以協(xié)同作用，能夠有效提高橋梁的抗震性能。

關(guān)鍵詞：摩擦擺球形支座;粘滯流體阻尼器;組合減隔震;時(shí)程分析

中圖分類號(hào)：U442.55? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）11-0155-03

橋梁作為交通樞紐，在地震中一旦發(fā)生破壞，將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的生命、財(cái)產(chǎn)損失，因此橋梁抗震是橋梁設(shè)計(jì)中一個(gè)重大課題。由于斜拉橋具有跨越能力強(qiáng)、造型美觀、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，自這種橋型問(wèn)世以來(lái)，一直受到橋梁工程師的喜愛(ài)，截止目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)修建了數(shù)百座斜拉橋。但由于斜拉橋歷史較短，經(jīng)受大地震的考驗(yàn)較少，僅有兩座已知斜拉橋的震害資料。因此對(duì)斜拉橋抗震性能進(jìn)行進(jìn)一步研究具有重要意義。

目前，通過(guò)應(yīng)用減隔震裝置來(lái)優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能已經(jīng)成為了橋梁抗震設(shè)計(jì)的有效途經(jīng)，隨著大量的理論研究和工程實(shí)例，又產(chǎn)生了一些新的減隔震裝置，例如粘滯流體阻尼器、鉛芯橡膠支座、超高阻尼橡膠支座、摩擦擺球形支座等。在實(shí)際工程中，往往只選用一種減隔震裝置就可以取得一定的減隔震效果。各種減隔震裝置的作用機(jī)理截然不同，其發(fā)揮的作用也有很大差異，將兩種減隔震裝置組合使用，可以使它們更好地發(fā)揮作用，從而進(jìn)一步改善橋梁的抗震性能。本文以某雙塔斜拉橋?yàn)楣こ桃劳校ㄟ^(guò)引入摩擦擺球型支座和粘滯流體阻尼器，探究組合減隔震裝置對(duì)雙塔斜拉橋抗震性能的影響。

1工程背景

該橋?yàn)橹骺?08m的雙塔雙索面半漂浮體系斜拉橋，跨度布置為102+208+102米，橋面寬度為33米。主梁采用單箱雙室截面，橋塔采用門式鋼桁架結(jié)構(gòu)，主梁以上橋塔高75米，共設(shè)32對(duì)斜拉索。粘滯流體阻尼器阻尼系數(shù)C=130kN/（mm/s）α，阻尼指數(shù)α=0.5，最大阻尼力為3000kN，行程為500mm;全橋材料配置如下表1所示。

2 有限元模型建立及動(dòng)力特性分析

本文采用Midas/Civil有限元分析軟件建立全橋模型，如圖1所示。全橋共有1574個(gè)節(jié)點(diǎn)，2226個(gè)單元，其中主梁、橋塔、墩采用空間梁?jiǎn)卧M，斜拉索采用空間桁架單元模擬，普通支座采用彈性連接模擬，擦擺球型支座和黏滯阻尼器根據(jù)其參數(shù)，在軟件中通過(guò)特定的單元進(jìn)行模擬。建立三個(gè)分析模型：模型1，在橫系梁與主梁、輔助墩出用普通支座連接;模型2，在橫系梁與主梁、輔助墩出采用摩擦擺球型支座連接;模型3，在模型2的基礎(chǔ)上加黏滯流體阻尼器。

對(duì)斜拉橋進(jìn)行動(dòng)力特性分析是斜拉橋抗震的分析的前提條件，根據(jù)已經(jīng)建立的橋梁動(dòng)力分析模型，利用 Midas 中的多重RItz向量法對(duì)該斜拉橋進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算模態(tài)取50，并且在表 2中給出了前 10 階模態(tài)的振型。由下表可知加入擦擺球型支座和黏滯阻尼器該橋的自振頻率會(huì)減小，相應(yīng)其自振周期會(huì)增大，3種模型的自振頻率的大小差異主要集中在前幾階，其高階振型中頻率的差距并不大。

3地震時(shí)程分析

3.1地震波輸入

地震波選用方法有類比地震波方法和人工地震波方法。本文選用軟件中帶有的1940， El Centro Site，270 Deg波，EPA=0.2950g，EPV=0.250m/s，Tg=0.5440s，下圖給出該地震波地面加速度時(shí)程曲線圖：

根據(jù)輸入的地震波對(duì)建立的3個(gè)模型進(jìn)行時(shí)程分析。

3.2位移對(duì)比分析

本文選取墩頂縱向和橫向位移、主梁縱向和橫向位移進(jìn)行對(duì)比分析。由下圖可知設(shè)置擦擺球型支座和黏滯阻尼器可以顯著減小該橋在地震作用下的變形。模型1、模型2、模型3的最大縱向位移分別為40.46mm、27.45mm、12.00mm，最大橫向位移分別是19.04mm、14.55mm、15.65mm，設(shè)置擦擺球型支座可以使橋墩縱向位移減小至原來(lái)的3/2，橫向位移減小至原來(lái)3/4左右，組合減隔震裝置可以進(jìn)一步減小橋梁變形，使橋墩縱向位移減小至原來(lái)的1/3，橫向位移減小至原2/3左右。與墩頂位移相比，設(shè)置擦擺球型支座和黏滯阻尼器對(duì)其主梁的變形有更大的改善作用。

3.3整體內(nèi)力分析

選取橋梁整體的軸力、剪力、彎矩、應(yīng)力作為主要考察目標(biāo)，設(shè)置減隔震裝置以后其內(nèi)力有顯著減小，其內(nèi)力峰值如下表所示。設(shè)置組合減隔震裝置以后其內(nèi)力比設(shè)置單一的減隔震裝置的內(nèi)力改善效果更加明顯，其軸力減小35%左右，剪力減小40%左右，彎矩減小50%左右。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)設(shè)置擦擺球型支座可以有效改善斜拉橋在地震作用下的受力和變形，在模型2的基礎(chǔ)上，在順橋方向和橫向方向附加黏滯阻尼器后，墩頂位移、主梁位移和主梁加速度都進(jìn)一步減小;整橋的軸力、剪力、彎矩和應(yīng)力同樣有明顯的減小，反映出黏滯阻尼器能對(duì)該橋起到良好的控制效果，表明擦擺球型支座和加黏滯阻尼器同時(shí)使用的組合減隔震裝置可以有效改善斜拉橋抗震性能。

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