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(lái)，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(lái)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(lái)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(lái)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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。美國(guó)金門大橋(地錨式懸索橋)的抗震加固設(shè)計(jì)和我國(guó)長(zhǎng)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(lái)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(zhǎng)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?jiǎn)卧M,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(lái)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(wú)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?jī)H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(zhǎng)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(shuō)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(guò)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