普立大跨悬索桥减隔震设计研究

普立大跨悬索桥减隔震设计研究

0不同减隔震措施下的力学性能在罕见的地震条件下，大跨径悬索桥的塔梁相对位移过大，可能会造成严重的单元超载。减少桥梁的隔震设计尤为重要。近年来，抗衰减地震技术在大范围桥梁中得到广泛应用，在国内外广泛使用。减震的主要目标是减小上部结构的地震强度，利用衰减措施的变形能力来减小结构位移和内部力。目前，国内外广泛使用的抗衰减地震措施主要有两种类型：橡胶类和粘热阻滞器。自1960年末发明以来，它已在项目实践中得到广泛应用。结构简单，加工简单，安装方便，设计精美（调整字体的几何尺寸）具有较大的灵活性。由于其强大的能源消耗能力，该制造商非常喜欢这种非线性粘热阻滞器，因此可以在世界上使用近120个大型桥梁，包括中国的苏通大桥、江阴长江大桥、舟山群岛快速崛起的桥和天津-秦铁路桥。国内外学者对桥梁减隔震措施做了大量的有限元分析研究,大部分文献仅对某一种减隔震措施对桥梁结构的影响进行的分析,对某一桥梁兼顾多种减隔震措施的对比分析较少.本文通过建立非线性空间动力有限元模型,对普立悬索桥进行了两种抗震措施的动力时程计算,并与不设置减隔震措施的情况做了对比,得出了相应的结论,可为同类工程提供参考依据.1预应力筋塔架结构普立特大桥位于普宣高速公路K11+233.807~K12+197.807处跨越普立大沟,是普宣高速公路控制性工程之一.该桥为单跨双铰地锚式悬索桥,桥长964m,跨径布置为166+628+166m,设计荷载为公路-I级.主缆采用预制平行钢丝索股(PPWS),共91股;吊杆为挤包护层扭绞型拉索,纵向间距12m,横向26m;加劲梁采用单箱单室扁平钢箱梁结构,全宽28.5m,桥轴线处净高3.0m;主塔采用混凝土门形框架结构,塔柱采用钢筋混凝土结构,横梁为预应力混凝土结构,普立岸主塔高154.30m,宣威岸主塔高162.20m;宣威岸锚碇采用嵌岩重力式锚碇,普立岸锚碇采用隧道锚.图1为普立特大桥的总体布置图.2减隔震措施的设置问题采用MIDAS/Civil建立普立大桥空间动力模型,如图2所示.在有限元模型中,主塔、主梁均采用梁单元模拟;主缆和吊杆采用只受拉桁架单元模拟;由于本桥基础刚度较大,桥墩基础以固结来模拟.主梁与吊杆采用刚臂连接,形成“鱼骨梁”模型;主塔与主缆采用刚性连接;主梁与主塔之间的普通支座采用弹性连接,液压粘滞阻尼器采用非线性阻尼单元模拟,铅芯橡胶支座采用非线性弹簧单元模拟.本桥的恒载初始内力已计入模型的几何刚度中,因此,所有减隔震计算都是基于恒载状态下的非线性时程分析.为了研究桥梁的减隔震效果,采用液压粘滞阻尼器和铅芯橡胶支座两种减隔震措施,分别与不设置减隔震措施的普通结构体系计算结果进行比较,在此定义三种结构体系:1)体系Ⅰ:不设置任何减隔震措施的纵向半漂浮体系;2)体系Ⅱ:在主梁与主塔之间安装纵向液压粘滞阻尼器的减隔震体系;3)体系Ⅲ:主梁与主塔之间安装铅芯橡胶支座的减隔震体系.在液压粘滞阻尼器中,阻尼力与相对变形的速度成非线性变化关系:F=CVξ.式中,F为阻尼力,C是阻尼系数,V是阻尼器活塞的运动速度,ξ为阻尼指数,一般在0.2~1.0之间取值.取参数为C=400000kN.s/m,ξ=0.2的阻尼器模型进行体系Ⅱ减隔震分析.因为液压粘弹性阻尼器表现出了较强的依赖频率的性质,所以在有限元模型中,采用Maxwell模型来模拟,该模型将阻尼器与弹簧串联,如图3所示.选用J4Q5000矩形铅芯橡胶支座参数进行体系Ⅲ减隔震分析.支座高度218mm,屈服前刚度为13.2kN/mm,屈服后刚度为2.0kN/mm,水平等效刚度3.3kN/mm,屈服力为323kN,等效阻尼比为0.218.根据大量实验数据分析可知,铅芯橡胶支座的滞回曲线一般为梭形,图形呈反对称,如图4所示.在有限元模型中,为了方便计算,根据其滞回曲线中正反向加载时初始刚度与卸载刚度基本平行及正反向屈服后刚度基本平行的特点,将铅芯橡胶支座的滞回曲线简化为双线性曲线,从而建立了铅芯橡胶支座滞回曲线的等价线性化模型,如图5所示.其中K1为屈服前刚度,K2为屈服后刚度,Qd为屈服力.3抗衰减地震分析3.1震动参数确定根据该桥的地震安全性评价报告,其所在地区基本烈度为Ⅵ度,按Ⅶ度设防,其设计地震动参数见表1.结合工程实际情况,罕遇地震水平加速度取50年超越概率2%的地震波时程曲线,如图6所示,计算时间20s,时间间隔为0.02s;该烈度下的设计反应谱及地震波与反应谱的拟合情况如图7所示.时程竖向加速度值取水平向加速度值的0.65倍.3.2计算结果和分析根据非线性动力时程计算,分别对3种体系下桥梁的关键部位最大位移和内力做了比较分析.1结构纵向位移3种体系下桥梁关键部位的最大位移响应比较见表2.塔顶纵向位移和梁端纵向位移的时程曲线见图8~9.根据表2数据,在罕遇地震作用下,体系Ⅱ和体系Ⅲ的塔顶纵向位移较体系Ⅰ分别减小了38%和31%;塔顶横向位移分别减小了29%和24%;梁端纵向位移分别减小了47%和40%;主梁跨中竖向位移分别减小了7%和9%.两种减隔震措施对减小结构纵向位移和横向位移具有明显的效果,且阻尼器较铅芯橡胶支座的减隔震效果明显;但两种措施对减小结构的竖向位移贡献不大,这是因为阻尼器和铅芯橡胶支座的耗能方向主要在纵桥向和横桥向,在竖向只提供弹性支撑刚度.2塔底纵向弯矩变化3种体系下塔底弯矩和塔底剪力比较见表3.塔顶纵向弯矩和塔底纵向剪力的时程曲线见图10、图11.根据表3数据,在罕遇地震作用下,体系Ⅱ和体系Ⅲ的塔底纵向弯矩较体系Ⅰ分别减小了38%和31%;塔底横向弯矩分别减小了21%和16%;塔底纵向剪力分别减小了33%和26%;塔底横向剪力分别减小了30%和24%.从减小结构地震作用内力的角度看,两种措施都有很好的效果,且阻尼器的减隔震效应比铅芯橡胶支座更明显.4两种减隔震措施的对比1)设置液压阻尼器和铅芯橡胶支座对减小结构地震作用位移和内力都有明显效果,对塔顶和梁端的纵向位移的减小幅度为31%~47%,对塔底纵向内力的减小幅度为26%~38%,