柔梁矮塔斜拉桥抗震体系和减隔震措施研究 1 王雷, 梁立农, 罗霞, 韩金豹, 杨钻 ( 广东省公路勘察规划设计院股份有限公司, 广东广州 5157) 摘要 : 柔梁密索体系矮塔斜拉桥以实桥个例出现, 工程界多视其为常规斜拉桥的特例, 现有研究 本文针对柔梁密索体系矮塔斜拉桥研究现状, 以潮惠高速公路榕江大桥为依托, 从减震机理出发, 研究柔梁矮塔斜拉桥的合理结构体系和减震措施, 并通过有限元仿真计算进行验证 纵向加设粘滞阻尼器对塔顶位移及梁端位移能起到明显的控制作用, 同时对塔底受力起到明显的改善作用 ; 横向加设弹塑性钢阻尼器对主梁跨中横向位移及梁端位移能起明显的控制作用, 对塔顶横向位移减震效果不太明显, 但对索塔横向受力有明显的改善作用 关键词 : 柔梁矮塔斜拉桥 ; 大跨径 ; 抗震体系 ; 减隔震措施 Research on Seismic System and Seismic Reduction and Isolation Measure of Low Pylon Cable-stayed Bridge with Flexible Girder WANG Lei, LIANG Linong, LUO Xia, HAN Jinbao, YANG Zuan (Guangdong Highway Design Institute Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong, 5157, China) Abstract: Dense-cables-flexible-girder low pylon cable-stayed bridge appearing in a bridge case, it is regarded as the special case of conventional cable-stayed bridge in engineering circles, which is little studied. Aiming at the research status of dense-cables-flexible-girder low pylon cable-stayed bridges, this paper takes Chao-Hui highway Rongjiang river bridge as the basis, proceed from damping mechanic, research the reasonable structural system and seismic resistance measure of low pylon cable-stayed bridge, and use the ANSYS to verify the result. The result shows installing the viscous dampers on lengthwise can obviously control the displacement of tower top and beam-end, at the same time, the force of the tower bottom has a great improvement; Installing Elastic-plastic steel dampers on crosswise can obviously control the displacement of middle of span and beam-end, the displacement seismic reduction effect is not very obviously, but the force of the tower has a great improvement. The analysis and research on this bridge fills the research blank of this type cable-stayed bridge. Keywords: low pylon cable-stayed bridge with flexible girder, long span, seismic system, seismic reduction and isolation measure 2 世纪, 全球发生了近 2 起破坏性特别大的强烈地震, 其中我国就有 起, 如唐山大地震 21 世纪, 仅 8 年中全球就发生破坏性特别大的强地震 起, 其中有我国的汶川地震 几次大地震显示了桥梁工程破 坏的严重后果, 同时也显示了桥梁工程抗震研究的重要性 目前, 对于跨径超过 15m 桥梁抗震设计, 国 作者简介 : 王雷, 工学硕士, 高级工程师, 广东省公路勘察规划设计院股份有限公司第二路桥设计分公司总工程师 ; 联系电话 :1222,E-mail:914489@qq.com 1
内外均无规范可循 潮惠高速公路榕江大桥是一座主跨 8m 的矮塔斜拉桥, 在揭阳市炮台镇与双溪咀之间跨越榕江 榕江大桥设计受水利 航运 航空 抗震 抗风等诸多因素控制, 设计难度大 经过多种桥型方案的比选后, 推荐主跨 8m 双索面柔梁矮塔斜拉桥方案, 采用 m+7m+8m+ 7m+m 五跨连续布置, 桥跨布置如图 1 索塔采用门式索塔, 主梁除边跨 m 部分采用混凝土箱梁外, 余均采用钢箱梁, 梁高.5m, 结构体系采用半飘浮体系, 成功解决航运 航空两条高程限制和抗震 抗风问题 桥面以上索塔高度与跨径之比为 1:8, 就这点而言, 榕江大桥是名符其实的矮塔斜拉桥 榕江大桥虽为塔塔斜拉桥, 但在构造上不具有常规矮塔斜拉桥的 刚梁 索集中 的构造特征, 而是柔梁 密索体系的矮塔斜拉桥 这类矮塔斜拉桥是以实桥个案形式出现, 工程界多将其视为斜拉桥特例, 对其受力特征和构造要点鲜有研究 桥区地震动峰值加速度为.18g, 接近 8 度区的.2g, 榕江大桥一旦在地震中遭到破坏, 可能导致的生命财产以及间接经济损失将会非常巨大 目前已有斜拉桥在地震中发生震害的公开报道 [1-[], 因此选择合理抗震体系及减隔震措施, 对确保大桥抗震安全性具有非常重要的意义 图 1 榕江大桥效果图 1 结构体系和减隔震机理 1.1 结构体系斜拉桥由主梁 斜拉索 索塔及基础等部分构成, 常用的结构体系包括 : 飘浮体系, 支承体系 ( 包括半飘浮体系 ), 塔梁固结体系 在有抗震要求的地区修建的斜拉桥宜选择飘浮体系或半飘浮体系,( 半 ) 飘浮体系为墩塔固接 塔梁分离, 主梁除在索塔或边跨有辅助墩支承外, 其余全部用斜拉索悬吊, 在地震时允许全梁纵向摆动, 成为长周期运动, 从而吸震消能 但全飘浮或半飘浮体系斜拉桥, 在其振动过程中, 主梁的惯性力通过斜拉索传递给索塔, 由此引起索塔较大的地震反应, 尤其是塔底的弯矩和剪力较大, 往往也会导致梁端位移过大, 过大的位移可能导致梁端出现碰撞, 伸缩缝破坏甚至落梁等震害 在斜拉桥的抗震设计中, 延性设计比较困难, 且一般不容许利用索塔的延性能力, 公路桥梁抗震设计细则 和欧洲规范规定 在设计地震下, 斜拉桥最好保持弹性工作状态 因此, 有必要采取一些抗震措施来减小斜拉桥索塔的地震反应 大量的分析 研究表明 : 斜拉桥主梁与塔的联结方式对其动力反应有显著的影响 [4-9] 因此在斜拉桥的主梁与塔联结处安装减震 耗能装置以保证斜拉桥在使用荷载作用下有足够的刚度, 而在强震作用下这些装置发生塑性变形, 耗散地震能量 减小结构的地震反应是当前斜拉桥抗震研究的一个热点 目前在斜拉桥中研究得较多的减震 耗能装置主要有粘滞阻尼器和弹塑性钢阻尼装置 结合文献 [4-9] 的工程经验, 本桥减震 耗能装置在纵向采用粘滞阻尼器, 在横桥向采用弹塑性钢阻尼器, 并在钢阻尼器上加设纵向滑道, 实现纵横向减震 耗能装置完全正交分离, 实时同步 2
1.2 减震机理 斜拉桥的大部分质量集中在桥面系, 因而, 地震惯性力也主要集中在桥面系 桥面系的地震惯性力通 过斜拉索和支座及减隔震装置传递给桥塔 边墩, 再由桥塔 边墩传递给基础, 进而传递给地基 1.2.1 顺桥向 项海帆院士曾对飘浮体系斜拉桥的动力特性进行专门研究, 认为在第 1 阶纵飘振型下主梁的强大惯性力主要通过最外几根斜拉索传入塔顶 [1] 飘浮 半飘浮体系斜拉桥主梁惯性力的传递方式可简化为如图 2 (a) (b) 所示, 在简化模型中将桥面系对桥塔的水平作用力简化为一集中力, 集中力的作用位置取斜拉 索对桥塔水平力的中心位置, 此时塔底弯矩 M 塔顶位移 y 可表示为 [11] : M PL (1) PL y (2) EI 式中 :P 为水平地震荷载 ;L 为塔高 ;E 为索塔弹性模量 ;I 为索塔截面等代抗弯刚度 当在塔 梁之间加设粘滞阻尼器等减震 耗能装置后, 桥面系惯性力的传力途径发生了改变, 一部分 仍通过拉索传递给桥塔上部, 另一部分通过塔 梁之间的粘滞阻尼器等减震 耗能装置传递到了索塔中部 的塔梁连接部, 此时的计算简图如图 2(c) ( d) 所示 此时塔底弯矩为 M 1 塔顶位移为 y 1 可表示为 : M1 PL 1 P2 L1 () 2 1 2 1 1 y PL P L 1 ( L L ) EI 2EI (4) 式中 :P 1 为作用在塔顶的水平地震荷载 ;P 2 为纵向粘滞阻尼器等减震 耗能装置作用在索塔上的水平地震荷载 ;L 1 为塔底与塔梁连接处之间的距离 (a) (b) (c) (d) 图 2 漂浮 半漂浮体系斜拉桥受力模式简化图 可见塔梁间设置粘滞阻尼器等减震 耗能装置后改变了桥面系惯性力的传力路径, 同时也消耗一部分 地震波的输入能量, 起到减震的目的 对本桥来说, 合理选择塔梁间粘滞阻尼器的设计参数即可有效调节 P 1 和 P 2 的大小, 这样就可以有效控制塔顶和梁端的位移, 同时也能改善塔底的受力 本桥抗震设计时, 在 每个索塔的塔梁连接处纵向设置 8 个 t 的粘滞阻尼器 ( 阻尼系数 C d 为 kn, 阻尼指数 α 为.4) 可 有效控制塔顶 梁端的位移和减小塔底弯矩 1.2.2 横桥向 飘浮或半飘浮体系斜拉桥塔梁横向连接多采用抗风支座进行连接, 边墩处设置了单向活动支座限制横 向位移, 完全约束了塔 ( 墩 ) 梁之间的横向相对位移, 在横向形成固结 在横桥向采用塔 - 梁 墩 - 梁固结 的约束体系, 导致其横向整体刚度增加, 横向地震惯性力增大 从一些大跨桥梁的抗震研究结果来看 [4-],
塔 墩的横向地震反应较大, 常常会控制截面设计 在横向设置粘滞阻尼器或弹塑性钢阻尼器进行减震 耗能, 横向设置阻尼器后, 地震作用下阻尼器发生滞回变形, 延长了结构在横桥向的周期, 有效降低了边墩 索塔的地震剪力和弯矩反应 ; 横桥向塔 - 梁 墩 - 梁间的相对位移会增大, 可通过减震装置参数的选取将其控制在合理的范围内 本桥设计时在塔 - 梁连接处设置 4 个 25t 的弹塑性钢阻尼器, 边墩及过渡墩各设 2 个 2t 的钢阻尼器, 从而把地震响应控制在合理的范围内 2 有限元模型 根据桥梁结构总体布置并考虑相邻联的影响, 建立了榕江大桥结构动力特性和地震反应分析的三维有限元模型 ( 图 ) 模型中主梁 塔 边墩和辅助墩采用空问梁单元模拟, 斜拉索采用空问桁架单元模拟, 并考虑垂度效应的影响, 主塔及各墩基础均在承台底采用 耦合弹簧来模拟群桩桩土相互作用, 各处支座根据其约束特性采用相应的主从约束来模拟 图 全桥空间有限元分析模型试验测得的钢阻尼器的滞回曲线如图 4(a) 所示, 在非线性计算中可采用双线型模型模拟这种滞回关系, 如图 4(b) 所示 粘滞阻尼器的试验滞回曲线如图 5(a) 所示, 在非线性分析中, 粘滞阻尼器的回复力模型可用式 (5) 表示, 图 5(b) 为该模型的滞回曲线 F C u sgn( u ) (5) 式中 :F c 为阻尼力 ;C d 为阻尼系数 ; u 为塔 - 梁 墩 - 梁间相对速度 ;α 为速度指数 c d 图 4 钢阻尼器的力 - 位移关系 4
位移 Dx(m) 位移 Dx(m) 位移 Dx(m) 位移 Dx(m) 图 5 简谐荷载作用下粘滞阻尼器的力 - 位移关系 减震效果 为验证本桥减震装置的合理性和减震效果, 本文对纵桥向自由体系 Z1 和纵桥向粘滞阻尼器体系 Z2 进行比较, 对横桥向弹塑性钢阻尼体系 H1 和横桥向固结体系 H2 进行比较 篇幅有限, 文中仅列出个别控制位置位移 控制截面内力的对比结果.1 纵向对比结果从图 ~ 图 8 的时程对比结果来看, 纵向加设粘滞阻尼器后塔顶及梁端位移均得到有效控制, 索塔受力也得到明显改善 Z2 体系塔顶位移仅为 Z1 体系的 4.4%, 梁端位移仅为 Z1 体系的 49.%;Z2 体系塔底截面弯矩为 Z1 体系的.7%, 塔 - 梁连接处截面弯矩为 Z1 体系的 5.%; 可见纵向加设粘滞阻尼器后, 在位移方面的减震率为 5% 左右, 在弯矩方面的减震率为 4% 左右, 阻尼器起到明显的减震效果.8..4.2 -.2 -.4 -. -.8 Z2 纵向设粘滞阻尼器 5 1 15 2 25 5 4 (a) 塔顶位移比较.15.1.5 -.5 -.1 -.15 Z1 纵向设粘滞阻尼器 5 1 15 2 25 5 4 (b) 索塔下横梁位移比较 图 E2 地震动作用下两种体系索塔位移比较.8..4.2 -.2 -.4 -. -.8 Z1 纵向设粘滞阻尼器 5 1 15 2 25 5 4 (a) 索塔下横梁与主梁相对位移比较.8 1 Z1 纵向设粘滞阻尼器..4.2 -.2 -.4 -. -.8 5 1 15 2 25 5 4 (b) 过渡墩墩顶与主梁相对位移比较 图 7 E2 地震动作用下两种体系主梁相对位移比较 5
弯矩 Mz( 1 5 kn.m) 弯矩 Mz( 1 5 kn.m) 弯矩 My( 1 5 kn.m) 弯矩 My( 1 5 kn.m) 12 9 - - -9-12 Z2 纵向设粘滞阻尼器 5 1 15 2 25 8 4 2-2 -4 - -8 Z2 纵向设粘滞阻尼器 5 1 15 2 25 (a) 索塔底部弯矩 My 比较 (b) 索塔下横梁交界处塔柱弯矩 My 比较 图 8 E2 地震动作用下两种体系索塔关键截面弯矩比较.2 横向对比结果 从图 9~ 图 1 的时程对比结果来看, 横向加设弹塑性钢阻尼器后塔顶及主梁位移衰减明显, 尤其是主 梁跨中截面位移衰减明显, 位移得到明显控制,H2 体系主梁跨中位移仅为 H1 体系的 55.7%, 减震率为 44.%;H2 体系塔顶位移为 H1 体系的 9.1%, 塔 - 梁连接处索塔位移为 H1 体系的 79.%, 减震率为 2.4%; 梁端位移仅为 H1 体系的 8.9%, 减震率为 1.1%;H2 体系塔底截面弯矩为 H1 体系的 79.4%, 减震率为 2.%, 塔 - 梁连接处截面弯矩为 H1 体系的 81.2%, 减震率为 18.8% 可见横向加设钢阻尼器后, 对主梁跨 中位移和梁端位移起到明显的抑制作用, 对塔顶位移减震效果不太明显 ; 对索塔弯矩也起到明显的减震效 果, 减震率为 2.% 左右.4..2.1 -.1 -.2 -. -.4 5 1 15 2 25 5 4.1.8..4.2 -.2 -.4 -. -.8 5 1 15 2 25 5 4..4.2 -.2 -.4 -. (a) 塔顶位移比较 5 1 15 2 25 5 4 (c) 主梁跨中位置位移比较 (b) 索塔下横梁位移比较..2.1 -.1 -.2 -. 5 1 15 2 25 5 4 (d) 过渡墩墩顶位移比较 图 9 E2 地震动作用下两种体系关键位置位移比较 9 - - -9-12 5 1 15 2 25 (a) 索塔底部弯矩 Mz 比较 8 4 2-2 -4 - -8 5 1 15 2 25 (b) 索塔下横梁交界处塔柱弯矩 Mz 比较 图 1 E2 地震动作用下两种体系索塔关键截面弯矩 M z 比较
4 结论 (1) 计算结果表明榕江大桥结构体系合理, 减隔震装置减震效果明显 (2) 纵向加设粘滞阻尼器后, 塔顶位移及梁端位移得到有效控制, 索塔受力得到明显改善 () 横向加设弹塑性钢阻尼器后, 主梁跨中位移及梁端位移衰减明显, 位移得到有效控制 ; 塔顶位移减震效果不太明显 ; 索塔受力得到明显改善 (4) 本文提出的斜拉桥减震设计方法和分析过程可以为更一般的斜拉桥抗震设计提供参考 参考文献 [1] 严国敏. 现代斜拉桥 [M]. 成都 : 西南交通大学出版社,199. [2] 中国赴日地震考察团. 日本阪神大地震考察 [M]. 北京 : 地震出版社,1995. [] 王胜斌. 斜拉桥在地震作用下的反应分析 [J]. 工程力学,2( 增刊 ): 15-111. [4] 杨喜文, 张文华, 李建中. 大跨度斜拉桥横桥向减震研究 [J]. 地震工程与工程振动,212, 2(1): 8-92. [5] 刘伟庆, 徐秀丽, 吴晓兰, 等. 大跨度斜拉桥结构横向消能减震设计方法 [J]. 振动工程学报,2, 19(): 42-42. [] 叶爱君, 范立础. 超大跨度斜拉桥的横向约束体系 [J]. 中国公路学报,27, 2(2): -7. [7] 叶爱君, 胡世德, 范立础. 超大跨度斜拉桥的地震位移控制 [J]. 土木土程学报,24, 7(12):8-4. [8] Feng M Q, Kin J M, Shinozuka M, et al. Viscoelastic dampers at expansion joints for seismic protection of bridges [J]. Journal of Bridge Engineering, 2, 5(1): 7-74. [9] Lin W H,Chopra A K. Earthquake response of elastic SDF systems with non-linear fuid viscous dampers[j].earthquake Engineering and Structural Dynamics,22,1(9):12-142. [1] 项海帆, 李瑞森, 杨昌众. 悬浮体系斜张桥的近似抗震计算 [J]. 结构工程师,198(1): 4-9 [11] 蒋伟, 李洞明, 李杨. 塔梁问纵向弹性约束对斜拉桥抗震性能的影响 [J]. 现代交通科技, 24, 4(5):5-52. ( 责任编辑张波 ) 7