南宁大桥曲线梁非对称外倾拱桥的动力特性分析

南宁大桥曲线梁非对称外倾拱桥的动力特性分析

1均衡一桥结构的创建在建成的南宁大桥上，横跨广西河，连接青秀山景区和广西宁龙新区。根据地标的功能要求和景观要求，主桥的结构形状采用曲线梁非对称外倾斜拱桥（图1）。其主跨跨径300m,由2条倾斜的钢箱拱肋(其中在肋间平台以下为钢筋混凝土拱)、桥面曲线钢箱梁、倾斜的吊杆、系杆及肋间平台共同构成一个多元化的空间结构体系,承担三维空间的全部荷载。南宁大桥的主桥钢箱梁与肋间平台分离,由设于肋间平台前端的牛腿、支座支承主桥钢箱梁,相对应此处设置了伸缩缝。在纵桥向地震作用下伸缩缝处主桥钢箱梁的纵向位移相对较大,为防止主桥钢箱梁与肋间平台发生碰撞而损坏,必须设置适当的纵向限位装置(减震措施)。目前国内外大跨度桥梁的塔(墩)、梁之间设置的减震连接装置大致分成弹性连接装置和阻尼器两类,而粘滞阻尼器具有较为明显的优点:①粘滞阻尼器并不显著增加桥墩的受力;②粘滞阻尼器在蠕变变形下,其抗力接近于0,这使得该装置的引入不会影响到桥梁结构的正常使用功能。因此,跨越希腊科林斯海峡的里翁—安蒂里翁(Rion-Antirion)大桥、美国奥克兰(Oakland)海湾桥西跨悬索桥加固,都使用了粘滞阻尼器;在国内,重庆鹅公岩大桥和上海卢浦大桥也安装了类似的粘滞阻尼器。在南宁大桥的设计中,也首选粘滞阻尼器作为减震措施;为使其具有良好的效果,对其参数进行分析就显得十分重要。2结构动力特性由于南宁大桥引桥与主桥存在耦连,动力特性和地震响应相互影响,结构抗震研究需将主桥、引桥一起考虑进行空间有限元模型的建模。其中,主桥主梁、主拱肋、引桥主梁和桥墩用梁单元模拟,水平系杆、吊索用桁架单元模拟(考虑恒载内力引起的几何刚度影响),桩基础用土弹簧模拟,肋间横墙用壳单元模拟,支座通过弹簧单元来模拟;最后,引桥与肋间平台之间的伸缩缝、主桥主梁与肋间平台之间的伸缩缝通过主从约束来模拟其影响(纵桥向可自由滑动,竖向、横桥向约束等),最终建立的全桥有限元模型见图2。根据动力计算模型,对该桥进行了结构动力特性的分析研究,主要是了解结构的动力响应特性,南宁大桥结构动力响应的一些主要动力特性计算结果见表1。主桥第1阶振动模态为主梁纵飘,且周期长达10.5s,导致地震作用下,主梁在伸缩缝处的相对位移很大(27.6cm)。从表1中还可以看出,该桥前9阶振动模态中以拱肋振动模态较多,且频率较低,其主要原因是东西两钢箱拱肋之间无横向联系。此外,拱肋横向振动模态成对出现,如第2阶和第3阶、第7阶和第8阶,这种现象是由于两拱肋的不对称性造成的。3纵桥向的位移通过对南宁大桥的抗震性能研究表明,主桥的地震响应基本满足预期的性能要求,但也反映出主桥主梁在地震作用下纵桥向的位移相对较大,达到27.6cm(设计伸缩缝最大位移±16cm)。在地震作用下,主桥主梁可能会与肋间平台发生碰撞而损伤,因此必须对此处的变形予以控制,选用粘滞阻尼器作为减震措施是必要的。3.1后压力差导致的阻尼力粘滞阻尼器的基本构造由活塞、油缸及节流孔组成。所谓节流孔是指具有比油缸截面积小的流通通路。这类装置是利用活塞前后压力差使油流过节流孔产生阻尼力,典型的粘滞阻尼器构造见图3。阻尼力与相对变形的速度关系可表达为:F=CVξ(1)F=CVξ(1)式中,F为阻尼力,C是阻尼系数,V是速度,ξ是指数(其取值范围在0.1~2.0,从抗震角度看,常用值一般在0.2~1.0范围内)。阻尼器参数ξ选取的不同,阻尼器阻尼力与速度关系曲线形状的变化规律见图4。3.2结构参数分析为合理地确定粘滞阻尼器参数,首先需要有一个合理的地震响应作为参照标准。考虑伸缩缝处滑动支座在地震作用下提供一定的摩擦耗能减震作用,但不设置阻尼器的工况。依此工况作为参照标准,同随后设有阻尼器的工况进行地震响应比较,从而确定阻尼器控制位移的效果和设计参数。从公式(1)可知,粘滞阻尼器参数C、ξ选取的不同,阻尼器对结构响应影响也不同。因此,需对结构引入阻尼器的情况进行结构响应分析,主要考虑对阻尼器参数C、ξ进行参数敏感性分析,研究这些参数变化对结构响应影响的变化规律,为合理选用阻尼器参数提供依据。地震动输入为南岸50年超越概率2%地表加速度时程,取3条样本的地震波。阻尼指数ξ范围为0.2~1.0,阻尼系数C的范围为1000~3000。参数敏感性分析主要包括两方面的内容:一部分是阻尼器阻尼指数ξ不变,改变阻尼系数C;另一部分是保持阻尼系数C不变,改变阻尼指数ξ的取值。参数分析中,选取结构关键部位的地震响应如钢拱拱脚弯矩、轴力,钢筋混凝土拱脚弯矩、轴力,承台底弯矩和剪力等响应进行对比分析。限于文章篇幅,此处仅给出钢筋混凝土拱脚、承台底弯矩的地震响应变化规律进行比较,见图5、图6。从图5、6可知,钢筋混凝土拱脚弯矩、承台底弯矩响应基本上随阻尼指数ξ值增加而增加,随阻尼系数C值增加而减小。图7、8给出伸缩缝处相对位移和阻尼器阻尼力的变化规律。伸缩缝处的相对位移响应是随阻尼指数ξ值的增加而增加,随阻尼系数C值的增加而减小,阻尼器的阻尼力随阻尼指数ξ增加而减小,随阻尼系数C增加而增大。从各参数的变化规律及结构关键部位的响应来看,阻尼器的设置对结构主要构件如钢拱脚、钢筋混凝土拱脚以及承台底的内力影响幅度较小,但对伸缩缝处的位移影响较大。在以不增加结构构件内力和最大限度地降低主梁在伸缩缝处的位移为目的的前提下,考虑地震动的不确定性,比较合适的阻尼器参数取值范围为:阻尼力500~2000kN,阻尼系数C在2000左右,指数范围在0.35左右,这样伸缩缝处的地震位移可控制在10cm以内。3.3主梁粘滞阻尼器的设计参数根据对阻尼器参数的敏感性分析,从主梁与肋间平台之间沿主梁轴线的相对位移、阻尼抗力、以及经济性方面考虑,确定南宁大桥所采用的粘滞阻尼器设计参数为:在主桥南北两侧与肋间平台连接的伸缩缝处共设置4个粘滞阻尼器,阻尼系数C=2000,阻尼指数ξ=0.35,设置阻尼器前后主桥伸缩缝处位移(地震波的平均值)见表2,主梁伸缩缝处相对位移的对比见图9。通过表2及图9可以看出,设置纵向阻尼器后,主梁的纵向位移得到大幅度的改善,避免了在地震作用下主梁与肋间平台发生碰撞的可能性。4减少主梁伸缩缝处相对位移(1)阻尼器参数ξ、C对南宁大桥主桥结构主要构件内力的影响幅度较小,但对伸缩缝处的位移影响较大。(2)在伸缩缝处设置合理的阻尼器参数的粘滞阻尼器,可以有效地减小主梁伸缩缝处纵向相对位移,从27cm左右降低为10cm,从而有效