三塔懸索橋型橋梁減震措施研究

三塔懸索橋型橋梁減震措施研究

結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)大橋是一個(gè)重要的生命線工程，其破壞造成的損失非常大。提高橋梁的抗疲勞性能是研究的重點(diǎn)。常見大跨橋梁減震措施包括塔梁間設(shè)置阻尼器(MR和FVD等)、主塔以及加勁梁內(nèi)設(shè)置阻尼系統(tǒng)(TMD和AMD等)、減隔震橋梁支座等。如廣東汕頭海灣二橋、日本名港中大橋在塔梁間設(shè)縱向鋼鉸線拉索,美國(guó)在金門大橋的抗震加固中增設(shè)了阻尼器,國(guó)內(nèi)的上海盧浦大橋和重慶鵝公巖大橋等也設(shè)置了阻尼器,明石海峽大橋主塔內(nèi)裝備了TMD以控制主塔振動(dòng)。葉愛君等分析了彈性連接裝置與粘滯阻尼器對(duì)某斜拉橋地震位移的影響。王浩等以潤(rùn)揚(yáng)懸索橋?yàn)楸尘胺治隽丝刂瞥罂鐟宜鳂虻卣痦憫?yīng)的具體的措施及參數(shù)選擇,并構(gòu)造了綜合最優(yōu)控制效果評(píng)估模型。王志強(qiáng)等以東海大橋?yàn)楣こ瘫尘?分析得出選擇適當(dāng)?shù)牟贾梦恢煤驼硿枘崞鞯膮?shù)可以有效降低結(jié)構(gòu)在地震作用下關(guān)鍵部位的相對(duì)位移并改善了構(gòu)件內(nèi)力。聶利英等從變形和受力兩個(gè)方面分析得出粘滯阻尼器對(duì)于梁端相對(duì)位移、速度和加速度均有減震作用,但不是始終對(duì)所有構(gòu)件受力有利。TonySVader等研究了摩擦阻尼器和非線性粘滯阻尼器對(duì)舊金山奧克蘭海灣大橋的減震效果。與傳統(tǒng)兩塔懸索橋相比,三塔懸索橋的工程實(shí)例很少,目前國(guó)內(nèi)有兩座在建的千米級(jí)的三塔懸索橋——泰州長(zhǎng)江大橋和馬鞍山長(zhǎng)江大橋。針對(duì)三塔懸索橋的相應(yīng)研究較少,TorbenForsberg探討了多跨懸索橋設(shè)計(jì)問題;OsamuYoshida等分析了四跨懸索橋的結(jié)構(gòu)特征,包括中塔剛度對(duì)動(dòng)力特性的影響、索距對(duì)橋梁靜力特性的影響等;阮靜等對(duì)泰州三塔懸索橋中塔的結(jié)構(gòu)選型進(jìn)行分析,得出中塔剛度要求;鄧育林等基于Sap2000平臺(tái),采用反應(yīng)譜和線性時(shí)程分析法研究了泰州大橋的抗震性能。本文基于Abaqus平臺(tái),以泰州長(zhǎng)江大橋?yàn)楣こ瘫尘?研究了該橋的地震響應(yīng)控制。1主纜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)泰州長(zhǎng)江公路大橋位于江蘇省長(zhǎng)江的中段,北接泰州市,南聯(lián)鎮(zhèn)江市和常州市,其總體布置如圖1所示。主纜跨度為390m+1080m+1080m+390m,主纜成橋狀態(tài)矢跨比為1/9,橫橋向間距35.8m,加勁梁為封閉式流線型扁平鋼箱梁。邊塔為混凝土塔,索塔總高178.0m,中塔為變截面鋼塔,索塔總高192.0m,橫橋向?yàn)殚T式框架結(jié)構(gòu),縱向?yàn)槿俗中?。在索塔?nèi)側(cè)壁與主梁間安裝橫向抗風(fēng)支座,縱向設(shè)彈性索,在邊塔下橫梁上設(shè)置豎向和側(cè)向支座。2成橋狀態(tài)下主纜等效彈性模量的施加基于Abaqus建立脊梁式有限元模型如圖2所示。吊桿與主纜均采用桿單元模擬,加勁梁與橋塔采用梁?jiǎn)卧M。吊桿與加勁梁間采用剛臂連接,為考慮主纜以及吊桿在恒載作用下的幾何剛度,在成橋狀態(tài)下主纜上施加初始應(yīng)力,并采用Ernst等效彈性模量。中塔與加勁梁間縱橋向彈性約束采用彈簧單元模擬。邊塔與加勁梁間在橫橋向、豎向及繞縱橋向設(shè)置約束方程;中塔與加勁梁間僅在橫橋向設(shè)置約束方程。忽略土-樁-結(jié)構(gòu)相互作用的影響,中、邊塔以及引橋橋墩底部完全固結(jié),邊跨主纜端部錨固于地錨上,模型中直接約束邊纜端部的平移自由度。在恒載作用下靜力分析基礎(chǔ)上采用變步長(zhǎng)進(jìn)行非線性時(shí)程分析,模型中采用Rayleigh阻尼假設(shè)。在重力荷載基礎(chǔ)上進(jìn)行模態(tài)分析,結(jié)構(gòu)前6階頻率以及振型如圖3所示。3非線性粘滯阻尼器漂浮體系橋梁縱向位移過大會(huì)對(duì)橋臺(tái)結(jié)構(gòu)造成不利沖擊。減小加勁梁縱向漂浮過大方法之一是在塔梁間設(shè)置縱向彈性連接裝置。彈性連接裝置的主要作用是提供彈性剛度而非耗能,因而可能會(huì)引起橋梁構(gòu)件內(nèi)力的增加。一般有大型橡膠支座、鋼鉸線拉索、液壓緩沖裝置等。另一種措施是在塔、梁之間設(shè)置阻尼器,通過增大結(jié)構(gòu)阻尼來(lái)減小地震響應(yīng)。粘滯阻尼器因阻尼系數(shù)調(diào)幅大、穩(wěn)定性好、施工維修方便等優(yōu)勢(shì)而得到廣泛應(yīng)用。非線性粘滯阻尼器輸出力與端部相對(duì)速度的關(guān)系如下f=csgn(v)|v|αf=csgn(v)|v|α其中:f為輸出力;c為阻尼系數(shù);v為阻尼器端部相對(duì)速度;sgn為符號(hào)函數(shù);α為速度指數(shù)(一般α∈[0.3,1.0])。粘滯阻尼器的相對(duì)速度-阻尼力關(guān)系如圖4所示。當(dāng)α<1時(shí),稱為非線性粘滯阻尼器,速度較小時(shí)阻尼器即可以產(chǎn)生較大的阻尼力,而當(dāng)速度較大時(shí),阻尼力增加較慢;α>1時(shí),稱為超線性阻尼器,阻尼力輸出與α<1時(shí)的情況相反;當(dāng)α=1時(shí),稱為線性粘滯阻尼器。以下分別分析3種減震方案對(duì)三塔懸索橋縱橋向地震響應(yīng)的影響:a.彈性拉索;b.粘滯阻尼器;c.彈性拉索+粘滯阻尼器。彈性拉索僅設(shè)在中塔下橫梁與加勁梁間,粘滯阻尼器則在中、邊塔下橫梁與加勁梁間均設(shè)置。同一處設(shè)置的同向阻尼器,通過改變阻尼系數(shù)來(lái)等效多個(gè)阻尼器在該方向上的輸出力。主要考察物理量為:加勁梁端與邊塔頂位移、邊塔底彎矩與剪力、中塔頂位移與塔底剪力以及連接裝置自身的受力和變形。采用一致地震輸入,在模型中輸入三向地震波,文中僅列出Tianjin波(峰值取為0.15g)的計(jì)算結(jié)果。3.1拉索剛度對(duì)邊塔順橋和塔柱應(yīng)力的影響彈性拉索增強(qiáng)了中塔與加勁梁的相互作用,改變了全橋動(dòng)力特性,對(duì)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)影響明顯。彈性拉索剛度的變化對(duì)橋梁順橋向地震響應(yīng)的影響如圖5所示。由圖5(左)可見,彈性拉索剛度對(duì)中塔頂、邊塔頂以及加勁梁端位移峰值的影響并不是單調(diào)函數(shù):拉索剛度小于192MN/m時(shí),上述位移峰值均有所增加;彈性拉索剛度大于192MN/m時(shí),上述位移峰值均隨彈性拉索剛度的增加而快速減小。由于彈性拉索僅設(shè)置在中塔處,故對(duì)邊塔順橋向位移以及塔柱底部剪力影響很小。因彈性拉索約束加勁梁,中塔下橫梁的作用力與柱端順橋向底部剪力增加明顯,邊塔柱順橋向彎矩亦有所增加,如圖5(中)所示。彈性拉索剛度較小時(shí)(<640MN/m),中塔梁間的作用力隨拉索剛度增加而變化明顯,超過1280MN/m后,中塔梁間的作用力趨于平穩(wěn),如圖5(左)所示。由圖5(左,中)對(duì)比可見,中塔柱順橋向剪力增加與彈性拉索內(nèi)力增加步調(diào)一致。鑒于人字形中塔共4根斜塔柱,從單根中塔柱順橋向剪力彈性拉索軸力對(duì)比可見,中塔柱順橋向剪力的增加不僅系由彈性拉索傳遞軸力引起。邊塔柱順橋向彎矩在拉索剛度較大時(shí)(>1280MN/m),拉索剛度的增加對(duì)其影響很小?？梢?彈性拉索剛度可以考慮設(shè)置為1280MN/m。3.2阻尼系數(shù)c的影響在邊、中塔下橫梁與加勁梁間順橋向均設(shè)置型號(hào)相同的阻尼器,中塔處不設(shè)置彈性拉索。研究對(duì)比在3種不同阻尼指數(shù)下,不同阻尼系數(shù)(c=3,5,10,20,30和40MN(m/s)-α)的阻尼器的設(shè)置,對(duì)橋梁縱向地震反應(yīng)的影響。阻尼系數(shù)c與速度指數(shù)α的相關(guān)影響如圖6~圖8所示。阻尼系數(shù)c對(duì)橋梁地震響應(yīng)影響明顯,如隨著阻尼系數(shù)c增大,中、邊塔頂、加勁梁端順橋向位移以及中塔塔梁間相對(duì)位移峰值響應(yīng)明顯減小(如圖6所示),阻尼器輸出力、邊塔柱順橋向剪力與彎矩、中塔柱順橋向剪力均增大(如圖7、圖8所示)。阻尼系數(shù)α的變化對(duì)中、邊塔頂、加勁梁端位移以及中塔塔梁間相對(duì)位移峰值響應(yīng)影響較小,但對(duì)邊塔柱順橋向剪力與彎矩、中塔柱順橋向剪力影響較為明顯:阻尼系數(shù)α越小,塔柱上述內(nèi)力越大。由圖7、圖8可見,阻尼指數(shù)α在較低的阻尼系數(shù)下,對(duì)阻尼器輸出力影響很小;隨著阻尼系數(shù)的增大(>15MN×(m/s)-α),α越小阻尼器輸出力越大。3.3阻尼系數(shù)對(duì)彈性拉索的影響在中塔下橫梁與加勁梁間設(shè)置彈性拉索(剛度為640MN/m),中、邊塔下橫梁與加勁梁間順橋向均設(shè)置型號(hào)相同的阻尼器,阻尼器相關(guān)參數(shù)同上節(jié)所述。對(duì)橋梁地震響應(yīng)的相關(guān)影響如圖9~圖11所示。彈性拉索與粘滯阻尼器共同作用下,同樣是阻尼系數(shù)c對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)影響明顯:隨著阻尼系數(shù)c增大,中、邊塔頂、加勁梁端順橋向位移以及中塔塔梁間相對(duì)位移峰值響應(yīng)明顯減小(如圖9所示),阻尼器輸出力、邊塔柱順橋向剪力與彎矩均增大(如圖11(左、中)所示),但是中塔柱順橋向剪力隨阻尼系數(shù)c的增大而減小(如圖11(右)所示)?？梢?設(shè)置阻尼器后,彈性拉索的設(shè)置在某種程度上,可以減小中塔順橋向剪力。相對(duì)于不設(shè)置彈性拉索的情況,阻尼系數(shù)α的變化對(duì)中、邊塔頂以及加勁梁端順橋向位移峰值響應(yīng)、邊塔柱順橋向剪力與彎矩、中塔柱順橋向剪力影響均較為明顯(如圖11所示)。由圖10可見,中塔與加勁梁間設(shè)置彈性拉索后,隨著阻尼指數(shù)α的減小,中塔阻尼器輸出力增大明顯(如圖10(中)所示),但邊塔阻尼器輸出力增加不明顯(如圖10(左)所示)。由圖7(右)與圖10(右)可見,彈性拉索減小了中塔塔梁間的相對(duì)位移,因而對(duì)中塔處阻尼器的減震性能造成一定的影響,可以考慮減小中塔處塔梁間粘滯阻尼器相關(guān)參數(shù)。3.43加勁梁順橋振動(dòng)方案針對(duì)上述3種減震方案,選取一組參數(shù)進(jìn)行對(duì)比:粘滯阻尼器參數(shù):α=0.3,c=20MN/(m/s)0.3;彈性拉索剛度k=1280MN/m,地震動(dòng)輸入為Tianjin波。3種減震方案對(duì)應(yīng)減震率η如表1所示。列出加勁梁順橋向位移與邊塔柱底順橋向剪力時(shí)程曲線,如圖12所示。由表1可見,3種方案均可以有效減小加勁梁順橋向振動(dòng),同時(shí)設(shè)置彈性拉索與阻尼器的方案效果最好,地震位移峰值減震小了約63.4%,其次是僅設(shè)置阻尼器,最后是僅設(shè)置彈性拉索。3種減震方案均會(huì)導(dǎo)致邊塔柱底與中塔柱底順橋向的剪力,原因在于無(wú)減震措施時(shí),橋梁在順橋向?yàn)槠◇w系。僅設(shè)置彈性拉索時(shí),中塔柱底剪力增加明顯,如圖12(右)所示。由圖12(左)可見,無(wú)減震措施時(shí),梁端位移達(dá)到峰值后振動(dòng)衰減速度緩慢。上述3種減震措施均能在結(jié)構(gòu)達(dá)到峰值后快速衰減,有效減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)。不同減震措施下,邊塔柱順橋向的剪力和彎矩包絡(luò)如圖13所示,邊塔下橫梁與加勁梁間設(shè)置阻尼減震率η=100%×(減震后峰值-減震前峰值)/減震前峰值器導(dǎo)致塔柱在下橫梁處出現(xiàn)明顯的剪力突變。無(wú)論是彈性拉索、阻尼器還是兩者的組合,均在不同程度上增加了邊塔柱的剪力與彎矩,其中以同時(shí)設(shè)置彈性拉索和粘滯阻尼器最為明顯?？梢?減震措施在一定程度上減小了結(jié)構(gòu)某些關(guān)鍵部位的位移,但可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力的增加,應(yīng)該引起注意。4彈性拉索剛度與振動(dòng)的關(guān)系彈性拉索與粘滯阻尼器分別提高結(jié)構(gòu)剛度與阻尼以減小結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。本文以泰州長(zhǎng)江大橋?yàn)楸尘?研究了3種不同橋梁減震措施的減震效果:彈性拉索;粘滯阻尼器;彈性拉索與粘滯阻尼器,并分別研究了各方案中不同參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)減震效果的影響。研究結(jié)果表明:(1)梁端位移、邊塔、中塔頂位移隨彈性拉索剛度的增加而減小,但由此增加了中塔的地震作用力,故應(yīng)綜合考慮變形和構(gòu)件內(nèi)力,以選取適當(dāng)?shù)膭偠葦?shù)值。(2)粘滯阻尼器阻尼