大跨度連續(xù)梁拱組合體系橋梁減震設(shè)計

1、大跨度連續(xù)梁拱組合體系橋梁減震設(shè)計第 32 卷第 3 期 2010 年 6 月工程抗震與加固改造EarthquakeResistantEngineeringandRetrofittingVol.32 ，No.3Jun.2010 8412（ 2010）03-0030-06文章編號 1002-曹新建，袁萬城，高摘永，魏凱（同濟大學土木工程防災(zāi)國家重點實驗室，上海 200092） 要分析了大跨度連續(xù)梁拱組合體系橋梁的地震易損部位特點， 提出了有利于該類橋梁抗震設(shè)計的合理塑性鉸出現(xiàn)以及兩類具體的位移控制裝置： 彈性連接裝置和粘滯阻尼器， 并 對兩種位順序。簡要介紹了橋梁地震位移響應(yīng)的控制機理，移控制裝

2、置進行了參數(shù)敏感性分析。 最后以一實橋為例， 介紹了 大跨度連續(xù)梁拱組合體系橋梁的減震設(shè)計。 研究表明， 彈性連接裝置 和粘滯阻尼器均能有效地控制結(jié)構(gòu)的地震位移響應(yīng)， 但如果考慮到經(jīng) 濟性和耐久性因素，彈性連接裝置稍有優(yōu)勢。關(guān)鍵詞橋梁工程； 梁拱組合體系；彈性索；粘滯阻尼器；減震設(shè)計；位移控制中圖分 類號 U442.5；TU352.1文獻標識碼 AAseismicDesignofLong-spanContinuousBeam-archCombinationBridgesCaoXin-jian ，YuanWan-cheng，GaoYong， WeiKai(StateKeyLaboratoryfo

3、rDisasterReductioninCivilEngineering，TongjiUniversity ，Shanghai200092，China)Abstract：Thevulnerablecharacteristicoflong-spancontinuousbeam-archcombination bridgesisanalyzed， andareasonableorderofplastichingeisproposed.Thecontrolmechanismofsei smicdisplacementresponseandtwodisplacementcontroldevice，s

4、elasticlinkdevicesandviscousdampe，r arebrieflyintroduced.Thenparametersensitivityanalysisofthetwodevicesisc arriedoutwithresponsespectrummethod.Finally， theseismicdesignofabridgeisintroducedasanexample.Theresultsshowthatb oththeelasticlinkdevicesandtheviscousdamperwithrationalparametersmayr educethe

5、seismicdisplacementsignificantly， buttheelasticlinkdeviceisbetterifeconomyanddurabilityfactorsareconsidere d.Keywords：bridgeengineering；beam-archcombinationsystem； elasticcable；viscousdamper；aseismicdesign；displacementcontrolE-mail： cxj_nj1 引言梁拱組合體系橋梁是一種特殊形式的橋梁，兼1有拱橋和梁橋的特點。 拱與梁的組合形成了新使拱與梁在受力方 面的優(yōu)點得以

6、充分的結(jié)構(gòu)體系，2發(fā)揮。 從結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力情況看， 荷載在拱與梁中產(chǎn)生的內(nèi)力大部 分轉(zhuǎn)變?yōu)樗鼈冎g所形成的自平衡體系的相互作用力。 拱的水平推力 與梁的軸向拉力相互作用，拱與梁截面的總彎矩等效為主要呈拱壓、 梁拉的受力形式，剪力則主要成為拱壓力的豎向分力3徑 20m 的下承式鋼筋混凝土梁拱組合橋。進入20世紀 80年代以來，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和橋梁設(shè)計理論、手 段的進步， 各種結(jié)構(gòu)形式的梁拱組合橋梁不斷涌現(xiàn)。 連續(xù)梁拱組合體 系橋梁因具有結(jié)構(gòu)剛度大、動力性能好、施工干擾小、結(jié)構(gòu)輕盈美觀 等優(yōu)5點，近年來相繼在橋梁設(shè)計中得到應(yīng)用與研究。 其中三跨連續(xù)形 式的梁拱組合體系橋梁適用于較大跨度的城市橋梁

7、， 且可以做成外部 無推力以適應(yīng)軟土地基環(huán)境，備受軟基地區(qū)重視，在 60m200m 跨 徑范圍內(nèi)具有較大的競爭優(yōu)勢。我國是一個多地震的國家， 建設(shè)大跨度橋梁時很重要的一個課題 就是如何保證橋梁的抗震安全（ JTJ004-性。我國現(xiàn)行公路工程抗震設(shè)計規(guī)范 89）僅適用 于跨度不大于 150m 的梁橋和拱橋等規(guī)則橋梁，對于大跨度連續(xù)梁拱 組合體系橋梁的抗震評估并不適用。 目前，國內(nèi)外對該類橋梁的靜力 體EarthquakeResistantEngineeringandRetrofittingJune20104。我國公路橋梁史上首座梁拱組合體系橋梁為天 津楊村（今武清縣）雙龍橋，建于 1922年，為

8、 3 孔跨 06-24收稿日期 2009-基金項目國家自然科學基金項目 （50778131）；國家科技支撐計劃項目（ 2006BAG04B01）系研究已有相當多的成果， 但對其抗震易損性特點、 合理的減震 措施以及方法等尚缺乏深入細致的研究。本文首先分析了大跨度連續(xù)梁拱組合體系橋梁的地震易損部 位特點，并對具體減震裝置和合理參數(shù)選取進行闡述。 最后以一實橋 為例，介紹了大跨度連續(xù)梁拱組合體系橋梁的減震設(shè)計。 2 梁拱組合 體系橋梁易損部位特點連續(xù)梁拱組合體系橋梁內(nèi)部受力體系較復雜， 但對于抗震分析而 言，關(guān)注的重點是橋梁的下部結(jié)構(gòu)和支座等易損部位， 對于其復雜的 上部結(jié)構(gòu)體系內(nèi)部受力可以不予關(guān)

9、注。 從抗震角度來說， 連續(xù)梁拱組合體系可以看作連續(xù)梁橋。 連續(xù)梁拱組合體系橋梁的振動特性與地震 響應(yīng)及墩、梁約束方式有關(guān)。在順橋向，地震作用主要由固定墩單獨 承擔，非固定墩貢獻不大。 在橫橋向，一般各墩均會設(shè)置橫向限橫向 地震力由各墩共同分擔。在順橋向，其位支座，振動特性主要與固定墩的剛度 K 以及上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量有關(guān)，一般 周期較長， 對應(yīng)反應(yīng)譜值較小， 但由于全部質(zhì)量產(chǎn)生的地震作用由固 定墩單獨承擔，其固定墩地震響應(yīng)也會較大。在橫橋向，由于各墩剛 度并聯(lián)，對體系總體剛度均有貢獻， 因此與順橋向相其周期要短很多， 對應(yīng)反應(yīng)譜值也較大，地震響比，應(yīng)亦較大。因此縱、橫向地震輸入時，體系均有可能發(fā)生

10、破壞。連續(xù)梁拱組合體系橋梁的主梁、 拱肋以及吊桿等上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件在 地震作用下的反應(yīng)與其構(gòu)件強度其設(shè)計主要由恒載、活載、溫度荷載等控相比不大，制；抗震薄弱部位位于橋墩及其基礎(chǔ)，以及支承連接部位，這些部位是連續(xù)梁拱組合體系橋梁抗震設(shè)計的重點。 根據(jù) 能力設(shè)計原理，用于抵抗地震側(cè)向力的鋼筋混凝土橋墩通常設(shè)計成延 性構(gòu)件，其它構(gòu)件6 則常常設(shè)計成彈性構(gòu)件。但橋墩的設(shè)計因恒載等靜力荷載的需 求，截面能力設(shè)計的很強而較難進采用允許支座剪切破壞的方法釋放上部結(jié)構(gòu)質(zhì) 量對下部結(jié)構(gòu)的作用，可以有效地保護橋梁構(gòu)件不受地震破壞， 但其付出的代價是上部結(jié)構(gòu)位移的增大， 因此，需設(shè)置一定的裝置以 限制上部結(jié)構(gòu)過大的位移

11、，同時提供一定的恢復力。 3 位移控制機理 及裝置允許支座剪切破壞， 會導致梁端產(chǎn)生過大的地震位移。 要減小梁 端的位移反應(yīng)，可以有兩種途徑7：適當縮短結(jié)構(gòu)的周期（增大結(jié)構(gòu)的剛度）， 兼顧力和位移，找出一個折中方案；增大橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼。位 移響應(yīng)與周期和阻尼的關(guān)系如圖 1 所示。為了控制因支座剪壞而引起 的過大的梁端地震位移， 可以在墩、 梁之間增設(shè)的減震裝置主要有兩 類，第一類裝置提供縱向剛度，第二類裝置提供阻尼。而成功減小地 震位移的關(guān)鍵，則在于選擇合適梁連接裝置，以及對應(yīng)的合理參數(shù)。的墩、圖1Fig.1位移反應(yīng)譜Displacementresponsespectrum3.1 彈性連接裝置

12、彈性連接裝置的主要作用是提供彈性剛度， 而不是耗能。 彈性連 接裝置主要有大型橡膠支座、 鋼鉸線拉索等， 主要用于限位的液壓緩 沖裝置也可以看成是彈性連接裝置的一種。 大型橡膠支座、 鋼鉸線拉 索等彈性連接裝置對所有的荷載均提供彈性剛度； 而液壓緩沖裝置對 溫度變化、 較小風速和車輛等但對汽車制動力、 陣風和緩慢作用的荷 載不起作用，地震等急速作用的荷載則起固定約束作用。 3.2阻尼器阻尼器的作用主要是提供阻尼，種類較多，有鉛擠壓阻尼器、鋼 阻尼器、摩擦阻尼器以及流體粘滯阻尼器等。其中，較為成熟且適用 于大跨度橋梁的主要是流體粘滯阻尼器。 流體粘滯阻尼器的阻尼力與 相對速度的關(guān)系可表達為：F=

13、CV2010入塑性。相對而言，支座在震后易于替換，且維修費用不高。因 此可以將支座作為第一順序塑性鉸， 而橋墩作為第二順序塑性鉸。 這 樣既保證了能力保護構(gòu)件受到保護， 又降低了維修費用， 是一個合理 的選擇。因此，建議在地震作用下，允許支座剪切破壞以保護其它構(gòu)件。 此時，支座的水平剪切強度要根據(jù)地震響應(yīng)進行合理設(shè)計， 以保證支 座在地震作用下能夠按要求發(fā)生剪切破壞。EarthquakeResistantEngineeringandRetrofittingVol.32 ，No.3（1）32工程抗震與加固改造 2010年6 月F 為阻尼力， C 是阻尼系數(shù)， V 是速度，其中， 是指數(shù)（從抗 震

14、角度，常用值一般為 0.31.0）。當 取為 1.0時，阻尼力與相對 速度成比例，這種阻尼器稱為線性阻尼器， 其滯回曲線形狀近似橢圓， 阻尼力和結(jié)構(gòu)的彈性力之間有 90 度的相位差，因此，并不增加橋墩 的受力。在蠕變變形（如溫度、徐變變形）作用下，流體粘滯阻尼器 產(chǎn)生的抗力接近于零。 3.3 位移控制裝置的參數(shù)選取墩、梁連接裝置對地震位移的控制效果取決于裝置的參數(shù)選取， 因此，選擇合理的參數(shù)非常關(guān)鍵。兩類連接裝置的參數(shù)各不相同，彈 性連接裝置的參而阻尼器的參數(shù)主要是阻尼數(shù)是彈性連接剛度 K，系數(shù) C，速度指數(shù) 。為了控制地震位移而設(shè)置的 墩、梁連接裝置，在選擇具體裝置及其參數(shù)時，首先要考慮到對

15、 地震位移的控制效果，同時還應(yīng)結(jié)合其它荷載的需求，裝置的造價、耐久性和可靠性以及安 裝的位置等實際情況而定。 44.1 三跨連續(xù)梁拱組合體系橋梁減震設(shè)計實例工程概況及動力分析 模型某橋采用雙向六車道高速公路標準，主橋采用結(jié)合梁拱橋方案， 跨徑布置為 3 210m=630m。主、副拱肋為鋼結(jié)構(gòu)，主梁為等截面結(jié) 合梁，下部結(jié)構(gòu)采用近 V 形薄壁墩形式，順接拱肋線形。 V 墩頂設(shè) 支座支撐結(jié)合梁梁體， 并設(shè)縱梁平衡斜腿水平分力。 通過墩頂縱梁線 形的調(diào)整和優(yōu)化，使結(jié)合梁與 V 墩線形渾然一體。圖 2 給出了主橋 的立面布置， 其中 PS1墩設(shè)有縱向固定支座， 其余各墩設(shè)縱向滑動支 座；為了限制主梁的

16、橫向滑動，同時消除溫度效應(yīng)的不利影響，在各 墩的一側(cè)設(shè)橫向固定支座，另一側(cè)為橫向滑動支座。約束；橋墩基礎(chǔ)沖刷線以上的樁基采用空間梁單元模擬， 沖刷線 以下的部分，每根單樁采用 66 耦合彈簧來模擬樁土相互作用， 各處支座根據(jù)其約束特性采用相應(yīng)的主從約束來模擬。根據(jù)反應(yīng)譜分析結(jié)果，在 P2 概率水平下，支座處剪力超過其抗 剪強度，同時各墩樁頂抗震能力不允許支座在 P2 概率水平足。為了 達到減震的效果， 地震作用下剪壞， 以釋放上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量產(chǎn)生的地震 力對橋墩和基礎(chǔ)的作用。 并采用非線性時程分析方法對支座剪壞后的 結(jié)構(gòu)進行分析，圖 4 即為本文分析中所用到的 100 年 3%超越概率下 的 3

17、條波。 4.2 參數(shù)敏感性分析從控制地震位移的角度討論墩、梁連接裝置的合理參數(shù)選取時， 必須進行參數(shù)敏感性分析，比較不同參數(shù)取值對控制地震位移的效 果。進行參數(shù)分析和位移控制效果比較時，主要應(yīng)考察梁端位移、墩EarthquakeResistantEngineeringandRetrofittingJune2010圖3Fig.3動力分析模型Dynamicanalysismodelofthebridge其中，主梁、主拱肋、副拱肋和橋墩采用空間梁單元模擬； 吊桿采用空間桁架單元模擬， 并考慮恒載幾何剛度的 影響；承臺的模擬方法是：將承臺質(zhì)量堆聚于形心，并將承臺上、下 緣分別與橋墩和樁基主從力和彎矩。

18、有限元模型中彈性索 /阻尼器布置如圖 5C 代表阻尼器 阻尼系數(shù)。所示。 K 代表彈性索剛度，圖4Fig.4100 年超越概率 3%時程波 offailureper100yearsTimehistorywaveswith3%probability圖 6Fig.6剛度對梁端位移、墩底剪力的影響（縱向）Deckdisplacementandshearforceatpier圖 7Fig.7剛度對梁端位移、墩底剪力的影響（橫向）Deckdisplacementandshearforceatpierbottomversuselasticstiffness （lateral）bottomversusela

19、sticstiffness（longitudinal）由圖 6 可以看出，梁端縱向位移在彈性索剛度K 取值為 2000 100000kN/m 的范圍內(nèi)逐漸減小，在 K 取值為 100000300000kN/m 范圍時變化不太明顯； PS1 墩縱向墩底剪力在 K 取值為 2000 100000kN/m 范圍內(nèi)時迅速增大，在 K 取值為 100000300000kN/m 范圍時不斷增加，但增速較緩。由圖 7可以看出，梁端橫向位移在彈性索剛度 K取值為 2000 100000kN/m 的范圍內(nèi)迅速減小，EarthquakeResistantEngineeringandRetrofittingVol.

20、32 ，No.3在 K 取值為 100000 300000kN/m 范圍時變化不太明顯；PS1墩橫向墩底剪力在 K 取值為 2000100000kN/m 范圍 內(nèi)時變化不太明顯， 在 K 取值為 100000300000kN/m 范圍時迅速增 大；綜上，在 K 取值為 2000100000kN/m 時，隨著彈性索剛度的增 加，梁端位移迅速減小， 同時 PS1 墩墩底剪力又不會增加太多； 而在 K 取值為 100000300000kN/m 時，墩底剪力逐漸增大，而位移卻沒 有明顯減少。因此選取彈性索剛度 K 為 100000kN/m201034工程抗震與加固改造 2010年6 月 作為彈性索的設(shè)

21、計建議值。（2）阻尼器 為了確定阻尼器的合理參數(shù)，分別采用 9 個阻 尼常數(shù)、4 個速度指數(shù)對主橋動力模型進行了非線圖 8 阻尼系數(shù)對梁端位 移的影響(縱向) Fig.8Deckdisplacementversusdampercoefficien(t longitudinal)由圖 8、圖 9 可以看出，順橋向和橫橋向的規(guī)律基本相同。梁端 位移隨阻尼系數(shù) C值的增大而減小，當 C>10000 后梁端位移隨阻 尼系數(shù) C 值的增圖 10 阻尼系數(shù)對墩底剪力的影響(縱向) Fig.10Shearforceatpierbottomversusdampercoefficien(t longitu

22、dinal)由圖 10、圖 11 可以看出，在順橋向，墩底剪力隨著阻尼系數(shù) C 的增大而增大，隨著速度指數(shù)的增大而減小；在橫橋向，當速度指數(shù) =0.30.5時，墩底剪力隨著阻尼系數(shù) C 的增大而增大，當速度指 數(shù)=0.70.9時，墩底剪力隨著阻尼系數(shù) C 的增大先減小后增大。綜合以上分析， 在有效控制結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位位移響應(yīng)， 并盡可能減 小結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)的前提下，選取 C=8000，=0.3 作為推薦的參數(shù)組 合。4.3位移控制裝置效果比較 對上述選取的彈性索和阻尼器參數(shù)進行非線性 性分析。不同阻尼系數(shù) C 和不同速度指數(shù) 對梁 端位移和 PS1墩墩底剪力的影響如圖 8圖 11 所示圖 9 阻尼系

23、數(shù)對梁端位移的影響（橫向） Fig.9 Deckdisplacementversusdampercoefficient （lateral） 大而減小的幅度有限；梁端位移隨速度指數(shù) 的增 大而減小。圖 11 阻尼系數(shù)對墩底剪力的影響（橫向） Fig.11 Shearforceatpierbottomversusdampercoefficien（t lateral） 時程分析，得到采用彈性索或阻尼器后的梁端位移見表 1。在縱向，彈性索和阻尼器對位移的控制效果相當；在橫 向，彈性索對位移的控制效果要稍優(yōu)于阻尼器。表1 梁端位移對比（ m）Table1Comparisonofdeckdisplacem

24、ent縱向 橫向 位置支座剪斷彈性索阻尼器支座剪斷彈性索阻尼器PN20.1620.0990.0980.1760.0680.062PS20.1610.0990.0980.1630.0670.060EarthquakeResistantEngineeringandRetrofittingJune2010設(shè)置彈性索或阻尼器后，各墩墩底剪力和墩底彎矩的比較如圖 12圖 15 所示。由圖可知，無論是順橋向還是橫橋向，采用彈性索后墩底剪力和墩底彎矩都比采用阻尼器裝置的要小。圖 12Fig.12不同約束方式對墩底剪力的影響（縱向）Shearforceatpierbottomunderfour圖 13Fig.

25、13不同約束方式對墩底剪力的影響（橫向）Shearforceatpierbottomunderfourdifferentrestraintconditions（longitudinal）differentrestraintconditions（lateral）圖 14Fig.14不同約束方式對墩底彎矩的影響（縱向）Bendingmomentatpierbottomunderfour圖 15Fig.15不同約束方式對墩底彎矩的影響（橫向）Bendingmomentatpierbottomunderfourdifferentrestraintconditions（longitudinal）diff

26、erentrestraintconditions（lateral）由表 1中數(shù)據(jù)及圖 12圖 15可以看出，在有使得墩底的剪力和 彎矩也效控制梁端位移的同時，大幅減小，有效地保護了橋墩及基礎(chǔ)，減震效果良好。在同等位 移控制效果的情況下， 采用彈性索裝置在控制墩底內(nèi)力方面略優(yōu)于阻 尼器。另外，液體粘滯阻尼器價格較高，且容易發(fā)生漏油事故導致阻 尼器失效；而彈性索造價低廉且易于維護、更換。因此推薦采用彈性 索作為該橋的合理減震裝置方案。 5結(jié)論基于上述分析，可以得到以下結(jié)論。（1）對于大跨度連續(xù)梁拱組合體系橋梁，為了保護橋梁主要構(gòu) 件在地震作用下不至于破壞， 可以將支座設(shè)計為第一順序塑性鉸， 橋 墩

27、為第二順序塑性鉸，其它構(gòu)件設(shè)計成能力保護構(gòu)件。（2）在地震作用下，可以允許支座剪壞，但要設(shè)置限位裝置以 控制過大的地震位移響應(yīng)。EarthquakeResistantEngineeringandRetrofittingVol.32 ，No.32010（3）從控制位移的機理來看，可以使用的裝置主要有兩種，即彈性索和阻尼器。彈性索通過適當縮短結(jié)構(gòu)的周期（增大結(jié)構(gòu)的剛度），兼顧力和位移；而阻尼器 通過增大橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼來控制結(jié)構(gòu)的位移，同時具有耗能的作用。（4）通過對實例的分析可知，只要選取合理的參數(shù)，彈性索和 阻尼器都能有效地控制結(jié)構(gòu)的位移。 但如果考慮到經(jīng)濟性和耐久性因 素，彈性索要稍優(yōu)于阻尼器

28、。參考文獻（ References）：1金成棣 .預(yù)應(yīng)力混凝土梁拱組合橋梁設(shè)計研究與M .北京：人民交通出版社， 2001 實踐JinCheng-di.PCArch-girderCombinationBridge-DesignStudyandPracticeM.Beijing ：ChinaCommunicationsPress，2001（下轉(zhuǎn)）第 32 卷第 3 期黃鑫東，等：不規(guī)則高層隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響分析 237UcakAlperandPanosTsopelas.EffectofSoilStructureInteractiononSeismicIsolatedBridgesJ.Jour

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31、檶檶檶檶檶 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶3-Ddynamicanalysisofstructureswithflexible（上接）JiangTong.Designandconstructionmanualforpassivevibration-absorptionst ructures（theoriginalNo.2edition） M .Beijing ：ChinaArchitectureandBuildingPress，20086ChandrasekaranS，RoyAnubhab.Seismicevaluationofmulti-storeyRCframeusingmodal

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