半漂浮體系斜拉橋減震限位方案研究

半漂浮體系斜拉橋減震限位方案研究

1液體粘滯阻尼器斜拉橋以其美觀、外形、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工方便等優(yōu)點(diǎn)而聞名。近些年來,隨著全球范圍內(nèi)地震活動的頻繁發(fā)生,斜拉橋的抗震性能得到了越來越多的關(guān)注[2~7]。E型鋼彈塑性阻尼器和液體粘滯阻尼器常被應(yīng)用于斜拉橋的抗震。E型鋼彈塑性阻尼器是近幾年開始應(yīng)用于國內(nèi)工程的被動控制耗能減震裝置[8~10],其具有穩(wěn)定的滯回特性、良好的低周疲勞特性、不受環(huán)境溫度影響等優(yōu)點(diǎn),通過鋼片發(fā)生塑性屈服滯回變形而耗散輸入結(jié)構(gòu)中的能量從而達(dá)到減震的目的。液體粘滯阻尼器是一種柱狀孔隙式阻尼裝置,這類裝置是利用活塞前后壓力差使油流過節(jié)流孔而產(chǎn)生阻尼力,常用于大跨度橋梁結(jié)構(gòu)或高層建筑結(jié)構(gòu)中作為耗能減震裝置。液體粘滯阻尼器可用于改善全橋結(jié)構(gòu)的抗震性能或局部抗震性能,不會改變結(jié)構(gòu)體系的剛度,而且在蠕變變形下,其產(chǎn)生的阻尼力基本為零,故阻尼器的引入不會影響橋梁結(jié)構(gòu)體系正常的使用功能。為探討E型鋼阻尼器和液體粘滯阻尼器2種減隔震裝置對半飄浮體系斜拉橋的減震限位效果,本文以某半飄浮體系雙塔斜拉橋?yàn)楸尘?設(shè)計(jì)2種阻尼約束體系方案,分析2種減震裝置對該橋地震響應(yīng)的影響規(guī)律。2動力分析模型某大跨度雙塔雙索面斜拉橋跨徑布置為(55+135+400+135+55)m,采用H形混凝土橋塔,塔高156m,設(shè)有上、下橫梁;主梁為C60預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁;布置2×23對斜拉索。該橋在順橋向和橫橋向均為對稱結(jié)構(gòu),順橋向?yàn)榘腼h浮體系,橫橋向?yàn)楣探Y(jié)體系,橋面寬度為30m,雙向6車道。根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)和計(jì)算要求,基于通用有限元程序SAP2000建立其動力分析模型,見圖1。其中,混凝土橋塔、橫梁和主梁采用梁單元模擬,斜拉索采用索單元模擬,支座采用彈性連接單元模擬。計(jì)算中不考慮土-結(jié)構(gòu)間相互作用,假定橋塔固結(jié)于地面。3橋址地震波的計(jì)算該橋所處場地為Ⅱ類場地,抗震設(shè)防烈度為8度,設(shè)計(jì)基本地震加速度峰值為0.2g。計(jì)算中采用的地震激勵由《工程場地地震安全性評價(jià)報(bào)告》提供,根據(jù)橋址場地條件,考慮相位隨機(jī)性的影響生成的3條具有隨機(jī)相位的人工地震波。3條人工地震波的加速度時(shí)程曲線見圖2。4非減壓限位裝置的結(jié)構(gòu)性能為比較分析減震限位裝置的耗能減震效果,對未采用減震限位裝置的半飄浮體系結(jié)構(gòu)的動力特性及地震響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算。4.1動態(tài)特性在進(jìn)行地震響應(yīng)計(jì)算前,對該半飄浮體系斜拉橋進(jìn)行了動力特性分析,其前10階自振周期和振型特征見表1。4.2安全殘余塔經(jīng)計(jì)算,在人工地震波1~3作用下,未采用減震限位裝置的橋梁塔底截面彎矩分別為1.07×106,8.89×105,1.32×106kN·m,小于橋塔在最不利軸力作用下塔底截面的屈服彎矩(約為1.50×106kN·m),且有一定的安全富余;主梁位移分別為40.8,34.4,54.5cm,主梁位移較大,且人工地震波3作用下超過了54cm。5比較分析了抗衰減系統(tǒng)的方案5.1e型鋼阻尼器在斜拉橋地震反應(yīng)中的響應(yīng)采用E型鋼阻尼器進(jìn)行減震限位時(shí),在橋塔下橫梁與主梁間安裝E型鋼阻尼器,每個(gè)橋塔處布置2個(gè)阻尼器,全橋共布置4個(gè)。為合理選擇E型鋼阻尼器設(shè)計(jì)參數(shù),根據(jù)阻尼器生產(chǎn)廠家提供的阻尼器參數(shù)范圍并結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),在其常見取值范圍內(nèi)選取屈服力Fy分別為3000,4500,6000kN;屈服位移dy分別為10,15,20mm;屈服前后剛度比η為0.03進(jìn)行組合的9組設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行地震響應(yīng)的計(jì)算分析。采用不同E型鋼阻尼器時(shí),在3條人工地震波作用下斜拉橋塔底彎矩和主梁位移響應(yīng)隨阻尼器屈服力的變化趨勢見圖3。由圖3可知,在3條地震波作用下,隨E型鋼阻尼器屈服力的增大,塔底彎矩呈增大趨勢,主梁位移呈下降趨勢;隨屈服位移的增大,塔底彎矩均有所減小,主梁位移則有所增大。與未采用減震限位裝置的半飄浮體系地震響應(yīng)相比,采用E型鋼阻尼器約束體系后塔底彎矩有明顯增大,部分參數(shù)組合下塔底彎矩甚至超過了其屈服彎矩,這是由于E型鋼阻尼器將部分主梁慣性力傳遞給橋塔所致。由于在橋梁結(jié)構(gòu)中采用阻尼裝置應(yīng)以保證結(jié)構(gòu)的安全性為前提,即應(yīng)盡量保持橋塔在彈性范圍內(nèi),因此導(dǎo)致塔底彎矩超過屈服彎矩的設(shè)計(jì)參數(shù)是不可取的。綜合考慮塔底彎矩和主梁位移,確定該橋較為合理的E型鋼阻尼器設(shè)計(jì)參數(shù)為Fy=4500kN,dy=15mm,η=0.03。5.2設(shè)計(jì)參數(shù)組合采用液體粘滯阻尼器時(shí),在每個(gè)橋塔下橫梁處對稱設(shè)置4個(gè)相同的液體粘滯阻尼器,全橋共8個(gè)。為合理選擇液體粘滯阻尼器參數(shù),在常見參數(shù)范圍內(nèi)選取阻尼系數(shù)C分別為500,1000,2000,3500,5000kN/(m·s)α;速度指數(shù)α分別為0.3,0.6,0.9進(jìn)行組合的15組設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行地震響應(yīng)的計(jì)算分析。采用不同液體粘滯阻尼器時(shí),在3條人工地震波作用下斜拉橋塔底彎矩和主梁位移響應(yīng)隨阻尼系數(shù)的變化情況見圖4。由圖4可知,在3條人工地震波作用下,隨著液體粘滯阻尼器阻尼系數(shù)的增大,塔底彎矩隨之增大,主梁位移隨之減小;隨速度指數(shù)增大,塔底彎矩有所減小,主梁位移則有所增大。與未采用減震限位裝置的半飄浮體系地震響應(yīng)相比,由于液體粘滯阻尼器將部分主梁慣性力傳遞給了橋塔,因此采用液體粘滯阻尼器后塔底彎矩有所增大,但僅有1種參數(shù)組合下塔底彎矩超過了屈服彎矩,可選設(shè)計(jì)參數(shù)范圍較大。綜合考慮地震響應(yīng)結(jié)果可知,α=0.6、C=5000kN/(m/s)α?xí)r,主梁位移最小,且可保證3條人工地震波作用下塔底彎矩均不超過屈服彎矩,因此確定該組參數(shù)為液體粘滯阻尼器設(shè)計(jì)參數(shù)。5.32斜拉橋塔底彎矩的影響為更直觀地體現(xiàn)上述2組減隔震裝置對半飄浮體系斜拉橋地震響應(yīng)的影響,定義地震響應(yīng)變化率:易知,當(dāng)響應(yīng)變化率R為正時(shí),說明增設(shè)減隔震裝置導(dǎo)致地震響應(yīng)有所增加;反之,當(dāng)R為負(fù)時(shí),則說明增設(shè)減隔震裝置使地震響應(yīng)有所減小。3條人工地震波作用下,2種阻尼約束體系方案對應(yīng)的塔底彎矩和主梁位移的響應(yīng)變化率見表2。由表2可知,增設(shè)阻尼器后3條人工地震波作用下主梁位移均有所減小,塔底彎矩均有所增大。說明文中選取的2種減隔震裝置均可有效控制地震作用中斜拉橋主梁水平位移,并以橋塔塔底彎矩一定程度的增大作為代價(jià),但塔底彎矩均未超過其屈服彎矩,橋塔在地震過程中仍可保持在彈性范圍以內(nèi)。采用E型鋼阻尼器與液體粘滯阻尼器相比,塔底彎矩的增幅總體上偏大,主梁位移的減小程度則略小。筆者認(rèn)為這與E型鋼阻尼器的工作原理有關(guān),增設(shè)E型鋼阻尼器后不僅增大了結(jié)構(gòu)體系的阻尼,還增大了結(jié)構(gòu)的剛度,降低了結(jié)構(gòu)的振動周期,因此在增大結(jié)構(gòu)耗能能力的同時(shí)也一定程度上增加了地震能量向整個(gè)體系的輸入,額外的能量輸入會降低E型鋼阻尼器的限位效果并增大結(jié)構(gòu)內(nèi)力的增幅;而液體粘滯阻尼器僅增大結(jié)構(gòu)體系的阻尼,不會改變結(jié)構(gòu)的振動特性。綜合考慮減震限位效果及綜合使用性能,在該斜拉橋中推薦使用選取的液體粘滯阻尼器約束減震體系方案。在人工地震波1作用下,采用液體粘滯阻尼器前后斜拉橋塔底彎矩、主梁位移響應(yīng)的時(shí)程曲線見圖5。由圖5可知,增設(shè)液體粘滯阻尼器后,塔底彎矩略有增大,主梁位移有明顯減小,但響應(yīng)時(shí)程曲線周期性基本保持不變。人工地震波1作用下液體粘滯阻尼器的阻尼力-行程滯回曲線見圖6。由圖6可知,地震過程中液體粘滯阻尼器的滯回曲線較為飽滿,耗能能力較好,與文中的分析一致。6e型鋼阻尼器屈服力本文以一座大跨度半飄浮體系斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?以3條人工地震波為激勵,研究了E型鋼阻尼器和液體粘滯阻尼器2種阻尼器裝置對該橋地震響應(yīng)的影響規(guī)律,并探討比較了2種阻尼器的減震限位效果,主要得到了以下結(jié)論:(1)隨E型鋼阻尼器屈服力的增大,塔底彎矩呈增大趨勢,主梁位移則隨之減小;隨屈服位移的增大,塔底彎矩均有所減小,主梁位移則有所增大。(2)隨著液體粘滯阻尼系數(shù)的增大,塔底彎矩隨之增大,主梁位移則隨之減小;隨速度指數(shù)增大,塔