大跨斜拉橋減震結(jié)構(gòu)體系的探討

大跨斜拉橋減震結(jié)構(gòu)體系的探討

1橋梁自振周期減緩控制隨著橋梁向輕、大傾角發(fā)展，橋梁的全球結(jié)構(gòu)和局部結(jié)構(gòu)的振動問題更加突出。對大跨度橋(懸索橋、斜拉橋)這種結(jié)構(gòu)柔性大、結(jié)構(gòu)本身的固有周期比較長的特殊結(jié)構(gòu),要減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),隔震技術(shù)顯然不再完全適用。因為當結(jié)構(gòu)的自振周期達到一定數(shù)值后,延長自振周期對減小結(jié)構(gòu)的地震加速度反應(yīng)已沒有多少效果,反而會進一步增加結(jié)構(gòu)振動反應(yīng)的位移。因此,對大跨度橋梁,減震只能從增加結(jié)構(gòu)的阻尼著手,在橋梁結(jié)構(gòu)上設(shè)置一些消能減震裝置,通過其局部變形提供附加阻尼,以消耗輸入上部結(jié)構(gòu)的地震能量,減少結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力反應(yīng),達到減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的目的。消能減震裝置的形式較多,但粘滯阻尼器被一些國家作為大跨度橋梁振動控制的首選減震裝置之一。因為粘滯阻尼器是速度相關(guān)型的消能器,可消耗大量振動能量而又不給橋梁結(jié)構(gòu)附加任何剛度,同時還允許橋梁產(chǎn)生因溫度變化而緩慢發(fā)生的位移;粘滯阻尼器具有阻尼系數(shù)調(diào)整幅度大、應(yīng)用范圍廣、穩(wěn)定性好、施工維修方便等技術(shù)優(yōu)勢。本文減震分析中所采用的減震裝置即為此種粘滯阻尼器。2航道橋節(jié)點的種類杭州灣大橋位于我國東南沿海浙江省境內(nèi)的杭州灣,北起杭州灣北海岸海鹽縣鄭家埭,跨越杭州灣至南岸慈溪市庵東鎮(zhèn),全長約36km,是我國“五縱七橫”國道主干線中同江至三亞沿海大通道跨越杭州灣的最便捷通道。其中北航道橋與南航道橋2座斜拉橋是杭州灣通道的重要組成部分。北航道橋是一座雙塔雙索面斜拉橋,橋全長908m,跨徑為(70+160+448+160+70)m,橋塔為鋼筋混凝土鉆石形塔,橋面以上塔高130m,主梁為鋼箱梁,橋的縱向采用漂浮體系,輔助墩橫向自由。根據(jù)對北航道橋在溫度作用下的內(nèi)力進行分析可知,塔、過渡墩采用橫向一側(cè)自由、一側(cè)設(shè)置抗風支座這種約束方式受力更合理。橋的總體結(jié)構(gòu)布置見圖1。3結(jié)構(gòu)體系設(shè)計采用SAP2000N非線性有限元軟件對杭州灣大橋北航道橋的動力特性和地震反應(yīng)進行非線性時程分析,計算時采用空間有限元桿系模型,主梁、塔、邊墩用梁單元模擬,將橋面系的豎向剛度、橫向撓曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和平動質(zhì)量、轉(zhuǎn)動質(zhì)量都集中在中間節(jié)點上,主梁節(jié)點和斜拉索吊點采用剛臂相連。斜拉索用桁架單元模擬,但考慮垂度效應(yīng)和恒載引起的幾何剛度的影響,對索進行剛度折減,并考慮了樁與土體之間的相互作用效應(yīng)。選用100年超越概率3%的地表地震動加速度時程作為地震輸入,地震峰值加速度水平向為100gal,豎向95gal。計算時考慮2種地震動輸入方向:①縱向輸入+0.5豎向輸入;②橫向輸入+0.5豎向輸入。由于北航道橋為鋼主梁、混凝土塔墩,結(jié)構(gòu)的阻尼比應(yīng)介于混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)之間,取3%進行計算。分析結(jié)果表明,縱向地震作用下塔A-A截面(見圖2)的內(nèi)力較大,可能對設(shè)計起控制作用,同時塔及主梁的縱向位移也很大;橫向地震作用下,抗風支座剪力、有抗風支座側(cè)過渡墩內(nèi)力及塔內(nèi)力均較大,因此這些截面的內(nèi)力及節(jié)點位移應(yīng)是結(jié)構(gòu)減震設(shè)計的主要目標。結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析的部分結(jié)果見表1。4斜拉橋結(jié)構(gòu)減壓系統(tǒng)4.1縱向粘滯阻尼器對采用縱向漂浮體系的斜拉橋,可在主梁的橋塔與主梁連接處設(shè)置縱向粘滯阻尼器,它可大大降低縱向地震作用下主梁和橋塔的內(nèi)力和位移,以及對伸縮縫規(guī)模由地震設(shè)防控制的高烈度地區(qū)橋梁,亦可較大幅度地減小伸縮縫規(guī)模。若斜拉橋的規(guī)模較大或地震設(shè)防烈度較高時,分析所需的粘滯阻尼器阻尼力較大,只在橋塔處設(shè)置粘滯阻尼器可能會使局部構(gòu)造難以處理,這時也可在輔助墩或過渡墩處同時設(shè)置縱向粘滯阻尼器。根據(jù)北航道橋縱向支撐體系,若只在兩橋塔的主梁處各對稱設(shè)置2個縱向粘滯阻尼器(共4只),此時塔在縱向地震作用下的內(nèi)力和位移都得到了大幅降低,已低于風和溫度作用下的內(nèi)力,說明地震作用下的內(nèi)力和位移已不起控制作用,且縱向粘滯阻尼器的阻尼力也只有1100kN,節(jié)點連接設(shè)計不會困難,因此不需要在輔助墩或過渡墩處同時設(shè)置縱向粘滯阻尼器。4.2斜拉橋橫向?qū)嵤┙M合斜拉橋的橫向減震體系一般由過渡墩處的減震裝置和部分輔助墩的減震裝置組成。若輔助墩處設(shè)置橫向粘滯阻尼器,則可將地震引起的上部橫向水平地震力合理地分散到各橋塔、橋墩上,使過渡墩和塔的內(nèi)力降低,結(jié)構(gòu)的各構(gòu)件內(nèi)力更均衡,從而改善結(jié)構(gòu)的整體抗震性能,充分發(fā)揮所有構(gòu)件的承載力。若粘滯阻尼器參數(shù)設(shè)計合理,有時也可同時降低輔助墩自身的內(nèi)力。因此,對擬采用粘滯阻尼器作為橫向減震裝置的斜拉橋,所有輔助墩均可不設(shè)置常規(guī)的橫向約束,粘滯阻尼器在地震作用下既可發(fā)揮常規(guī)橫向約束的作用,又不會增加結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力。對北航道橋這種過渡墩橫向采用一側(cè)自由,一側(cè)設(shè)置抗風支座的約束方式,設(shè)置粘滯阻尼器有2種方案:若設(shè)計目標是任何情況下橫向抗風支座均不允許破壞,這時只需在自由側(cè)過渡墩上設(shè)置粘滯阻尼器;若允許橫向抗風支座在設(shè)定的地震烈度作用下剪斷,則應(yīng)在兩側(cè)過渡墩上均布置粘滯阻尼器。由于粘滯阻尼器參數(shù)與減震結(jié)構(gòu)體系有關(guān),因此減震分析時應(yīng)明確過渡墩橫向約束的設(shè)計目標,本工程采用第1種設(shè)計方案。斜拉橋上同時設(shè)置的縱向、橫向粘滯阻尼器,只要在構(gòu)造上處理合理,即可相互獨立工作,因此,對斜拉橋可以視其具體結(jié)構(gòu)形式進行縱向或橫向的單向減震設(shè)計,也可以是縱向、橫向同時進行減震設(shè)計。杭州灣大橋工程北航道斜拉橋縱、橫向減震結(jié)構(gòu)體系見圖3。5結(jié)構(gòu)體系及減緩效果分析在減震分析過程中,通過調(diào)整粘滯阻尼器的阻尼系數(shù)C和速度指數(shù)α,對結(jié)構(gòu)進行減震優(yōu)化分析,使結(jié)構(gòu)達到較滿意的減震效果。北航道橋縱向雖為對稱結(jié)構(gòu),但由于各墩、塔處海床高程不同,結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)并不對稱,對稱位置上的塔、過渡墩內(nèi)力相差較多;北航道橋的結(jié)構(gòu)構(gòu)件在橫向也是對稱設(shè)置的,但為限制主梁在伸縮縫處產(chǎn)生的側(cè)向位移,防止伸縮縫發(fā)生剪切破壞,在過渡墩處一側(cè)墩設(shè)橫向抗風支座限位,一側(cè)墩自由,該方案在地震或其他橫向荷載作用下會在抗風支座側(cè)過渡墩內(nèi)產(chǎn)生很大的內(nèi)力,使對稱位置的兩過渡墩間的內(nèi)力差異很大。根據(jù)北航道橋的這些受力特點,減震分析時以同類構(gòu)件控制截面內(nèi)力減小最多且均衡作為粘滯阻尼器參數(shù)優(yōu)化的主要目標,使所有構(gòu)件的承載力均得到充分發(fā)揮,同時兼顧使粘滯阻尼器產(chǎn)生的阻尼力盡可能小。由于采取了合理的減震結(jié)構(gòu)體系、設(shè)定了較科學的減震優(yōu)化目標,使北航道橋的減震設(shè)計取得了很好的減震效果,表1列出了部分截面內(nèi)力、節(jié)點位移的減震結(jié)果。由于粘滯阻尼器為速度相關(guān)型消能器,速度越大,消能越多,減震效果越好。北航道橋為滿足正常使用狀態(tài)下伸縮縫的安全,在塔、過渡墩一側(cè)設(shè)置了橫向抗風支座,因此主梁與另一側(cè)過渡墩、輔助墩間的速度差較小,一定程度上限制了橫向粘滯阻尼器的減震作用,而北航道橋在縱向是漂浮體系,地震作用下縱向可產(chǎn)生較大的運動速度,所以縱向減震效果要優(yōu)于橫向。6降低地震反應(yīng)力(1)根據(jù)斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系,可對斜拉橋縱向或橫向分別進行單向減震設(shè)計,也可以是縱向、橫向同時進行減震設(shè)計。(2)對采用縱向漂浮體系的斜拉橋,縱向減震可大大降低縱向地震