大跨度自錨式懸索橋地震響應(yīng)減震方案研究

大跨度自錨式懸索橋地震響應(yīng)減震方案研究

近年來，懸索橋因其美麗的線條、新穎的外觀和靈活的區(qū)位特點(diǎn)而越來越受喜愛。與傳統(tǒng)地錨式懸索橋相比,自錨式懸索橋的主纜直接錨固至加勁梁的兩端,主纜的水平拉力由加勁梁來承受,這是自錨式懸索橋與地錨式懸索橋最主要的區(qū)別所在。已有研究表明:自錨式懸索橋在縱向地震作用下有著與傳統(tǒng)地錨式懸索橋相類似的特性,也就是主梁會(huì)產(chǎn)生較大的縱向位移,因此,為了減小縱向地震作用下的主梁位移,引入一種合理有效的減隔震裝置來提高其抗震性能成為自錨式懸索橋抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。常用于橋梁結(jié)構(gòu)的減隔震措施主要有分層橡膠支座、滑動(dòng)摩擦型支座、高阻尼橡膠支座、鉛芯橡膠支座、黏滯阻尼器、彈塑性阻尼器、TMD和TLCD等,其中鉛芯橡膠支座和黏滯阻尼器是目前應(yīng)用較廣泛的減隔震措施。鉛芯橡膠支座結(jié)合了分層橡膠支座和鉛阻尼器的特點(diǎn),具有較高的初始水平剛度和較大的阻尼特性,因而被廣泛應(yīng)用于實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)的減隔震設(shè)計(jì)及加固中。黏滯阻尼器具有阻尼器出力大、力學(xué)模型簡單等優(yōu)點(diǎn)。美國金門大橋(地錨式懸索橋)的抗震加固設(shè)計(jì)和我國長沙三汊磯大橋(自錨式懸索橋)的抗震設(shè)計(jì)均采用了黏滯阻尼器來實(shí)現(xiàn)。本文以某主跨為350m的獨(dú)塔自錨式懸索橋?yàn)檠芯繉?duì)象,建立了Midas空間動(dòng)力有限元模型,探討鉛芯橡膠支座和黏滯阻尼器對(duì)該橋在縱向地震作用下的減震效果。1橋橋基礎(chǔ)有限元模型本文的研究工程背景為一主跨350m的獨(dú)塔自錨式懸索橋,其總體布置如圖1所示。橋跨布置為(6×40+30+350+2×30)m,全長680m,主纜垂度為28m,矢跨比為1/12.5,拉索間距為12m;主跨加勁梁為鋼箱梁,邊跨加勁梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁形式。加勁梁分左右兩幅,主纜呈4索面布置,主塔為三柱式混凝土橋塔,橋墩為雙柱式混凝土橋墩,橋墩編號(hào)從左至右依次為M1～M10。采用MIDAS軟件建立該橋的空間動(dòng)力有限元模型,如圖2所示。模型中,塔、梁、墩均用梁單元模擬,主纜用只受拉單元模擬,吊桿用桁架單元模擬。由于該橋基礎(chǔ)剛度相當(dāng)大,塔墩基礎(chǔ)模擬成固結(jié)。本文的減震研究基于恒載狀態(tài)的幾何非線性分析,恒載內(nèi)力及幾何狀態(tài)可參見文獻(xiàn)。為了比較鉛芯橡膠支座和黏滯阻尼器兩種減震措施的減震效果,定義3種結(jié)果體系:(1)體系Ⅰ,原結(jié)構(gòu)縱向飄浮體系;(2)體系Ⅱ,橋塔與主梁間縱向安裝黏滯阻尼器;(3)體系Ⅲ,橋墩與主梁之間安裝鉛芯橡膠支座。體系Ⅱ中黏滯阻尼器的力學(xué)模型為F=Cvα。其中:F為阻尼力;v為活塞運(yùn)動(dòng)速度;C為阻尼系數(shù);α為速度指數(shù),一般為0.3～1.0,本文選取C=400kN·s/mm,α=0.7設(shè)置黏滯阻尼器的參數(shù)進(jìn)行減震措施分析。由于液體黏滯阻尼器表現(xiàn)出了較強(qiáng)的依賴頻率的性質(zhì),所以,在有限元軟件中,選用Maxwell模型作為黏滯阻尼器的恢復(fù)力模型。體系Ⅲ中的鉛芯橡膠支座采用具有代表性的LRB2000,該支座直徑為2000mm,高度為520mm,鉛銷直徑為115mm,鉛銷8根;豎向剛度為1385800kN/m,等效水平剛度為9078kN/m,屈服后剛度為5848kN/m,等價(jià)阻尼比為0.216;有限元模型中采用雙線性力學(xué)模型來模擬,如圖3所示,其中:K1為屈服前剛度;K2為屈服后剛度;Q為屈服強(qiáng)度。2約束束條件對(duì)動(dòng)力特性的影響對(duì)前述的3種結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行動(dòng)力特性分析,得到前幾階振型及頻率,見表1。從表1可以看出:加入減震措施以后,結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性隨約束條件的變化而變化,主要體現(xiàn)在第一階振型上,體系Ⅰ的第一階振型為主梁縱飄,而加入縱向減震措施后的體系Ⅱ和體系Ⅲ的第一階振型為主梁豎彎,無主梁縱飄振型;3種體系在橫向、豎向方面的動(dòng)力特性相近。3計(jì)算和分析衰減3.1震波的種類和速度根據(jù)地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告,該橋100a超越概率2%的地震波如圖4所示。剪切波速為190.2m/s。根據(jù)抗震分析結(jié)果可知,行波輸入對(duì)這種獨(dú)塔自錨式懸索橋的縱向地震反應(yīng)影響不大,故本文的減震研究僅考慮地震波的一致輸入。3.2主要結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)分析為了討論豎向地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響,分析中考慮了縱向、縱向+豎向2種地震動(dòng)輸入,其中豎向地震動(dòng)幅值取為水平加速度的2/3。時(shí)程分析法采用Newmark-β法,計(jì)算步長取0.02s。2種地震動(dòng)輸入下的3種體系關(guān)鍵部位的最大位移響應(yīng)比較見表2和表3。圖5和圖6所示為2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的位移時(shí)程曲線,3種體系的主塔塔底的最大彎矩比較如圖7所示。從表2、表3和圖5～7可以得到:(1)在縱向地震波作用下,體系Ⅱ和體系Ⅲ的塔頂縱向位移較體系Ⅰ減小了58.2%和42.9%,主梁縱向位移減小約65%,2種減震措施位移響應(yīng)減小顯著。(2)在同種地震波輸入下,體系Ⅱ的塔底彎矩較體系Ⅰ有所減小,但體系Ⅲ的塔底彎矩較體系Ⅰ增大較多。(3)3種體系在同種地震波輸入的情況下的主梁跨中豎向位移響應(yīng)值較接近,說明2種縱向減震措施對(duì)減小豎向位移響應(yīng)幫助不大。(4)豎向地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)縱向位移及內(nèi)力影響較小,但使得主梁的豎向位移增大明顯。4結(jié)構(gòu)縱向地震作用(1)縱向減隔震措施的加入改變了原體系的約束條件,從而改變了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,可提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。(2)通過在橋墩設(shè)置鉛芯橡膠支座或者塔梁間縱向設(shè)置黏滯阻尼器都可以有效地減