大跨斜拉桥减震结构体系的探讨

大跨斜拉桥减震结构体系的探讨

1桥梁自振周期减缓控制随着桥梁向轻、大倾角发展，桥梁的全球结构和局部结构的振动问题更加突出。对大跨度桥(悬索桥、斜拉桥)这种结构柔性大、结构本身的固有周期比较长的特殊结构,要减小结构的地震反应,隔震技术显然不再完全适用。因为当结构的自振周期达到一定数值后,延长自振周期对减小结构的地震加速度反应已没有多少效果,反而会进一步增加结构振动反应的位移。因此,对大跨度桥梁,减震只能从增加结构的阻尼着手,在桥梁结构上设置一些消能减震装置,通过其局部变形提供附加阻尼,以消耗输入上部结构的地震能量,减少结构在地震作用下的动力反应,达到减小结构内力和位移的目的。消能减震装置的形式较多,但粘滞阻尼器被一些国家作为大跨度桥梁振动控制的首选减震装置之一。因为粘滞阻尼器是速度相关型的消能器,可消耗大量振动能量而又不给桥梁结构附加任何刚度,同时还允许桥梁产生因温度变化而缓慢发生的位移;粘滞阻尼器具有阻尼系数调整幅度大、应用范围广、稳定性好、施工维修方便等技术优势。本文减震分析中所采用的减震装置即为此种粘滞阻尼器。2航道桥节点的种类杭州湾大桥位于我国东南沿海浙江省境内的杭州湾,北起杭州湾北海岸海盐县郑家埭,跨越杭州湾至南岸慈溪市庵东镇,全长约36km,是我国“五纵七横”国道主干线中同江至三亚沿海大通道跨越杭州湾的最便捷通道。其中北航道桥与南航道桥2座斜拉桥是杭州湾通道的重要组成部分。北航道桥是一座双塔双索面斜拉桥,桥全长908m,跨径为(70+160+448+160+70)m,桥塔为钢筋混凝土钻石形塔,桥面以上塔高130m,主梁为钢箱梁,桥的纵向采用漂浮体系,辅助墩横向自由。根据对北航道桥在温度作用下的内力进行分析可知,塔、过渡墩采用横向一侧自由、一侧设置抗风支座这种约束方式受力更合理。桥的总体结构布置见图1。3结构体系设计采用SAP2000N非线性有限元软件对杭州湾大桥北航道桥的动力特性和地震反应进行非线性时程分析,计算时采用空间有限元杆系模型,主梁、塔、边墩用梁单元模拟,将桥面系的竖向刚度、横向挠曲刚度、扭转刚度和平动质量、转动质量都集中在中间节点上,主梁节点和斜拉索吊点采用刚臂相连。斜拉索用桁架单元模拟,但考虑垂度效应和恒载引起的几何刚度的影响,对索进行刚度折减,并考虑了桩与土体之间的相互作用效应。选用100年超越概率3%的地表地震动加速度时程作为地震输入,地震峰值加速度水平向为100gal,竖向95gal。计算时考虑2种地震动输入方向:①纵向输入+0.5竖向输入;②横向输入+0.5竖向输入。由于北航道桥为钢主梁、混凝土塔墩,结构的阻尼比应介于混凝土结构和钢结构之间,取3%进行计算。分析结果表明,纵向地震作用下塔A-A截面(见图2)的内力较大,可能对设计起控制作用,同时塔及主梁的纵向位移也很大;横向地震作用下,抗风支座剪力、有抗风支座侧过渡墩内力及塔内力均较大,因此这些截面的内力及节点位移应是结构减震设计的主要目标。结构地震反应分析的部分结果见表1。4斜拉桥结构减压系统4.1纵向粘滞阻尼器对采用纵向漂浮体系的斜拉桥,可在主梁的桥塔与主梁连接处设置纵向粘滞阻尼器,它可大大降低纵向地震作用下主梁和桥塔的内力和位移,以及对伸缩缝规模由地震设防控制的高烈度地区桥梁,亦可较大幅度地减小伸缩缝规模。若斜拉桥的规模较大或地震设防烈度较高时,分析所需的粘滞阻尼器阻尼力较大,只在桥塔处设置粘滞阻尼器可能会使局部构造难以处理,这时也可在辅助墩或过渡墩处同时设置纵向粘滞阻尼器。根据北航道桥纵向支撑体系,若只在两桥塔的主梁处各对称设置2个纵向粘滞阻尼器(共4只),此时塔在纵向地震作用下的内力和位移都得到了大幅降低,已低于风和温度作用下的内力,说明地震作用下的内力和位移已不起控制作用,且纵向粘滞阻尼器的阻尼力也只有1100kN,节点连接设计不会困难,因此不需要在辅助墩或过渡墩处同时设置纵向粘滞阻尼器。4.2斜拉桥横向实施组合斜拉桥的横向减震体系一般由过渡墩处的减震装置和部分辅助墩的减震装置组成。若辅助墩处设置横向粘滞阻尼器,则可将地震引起的上部横向水平地震力合理地分散到各桥塔、桥墩上,使过渡墩和塔的内力降低,结构的各构件内力更均衡,从而改善结构的整体抗震性能,充分发挥所有构件的承载力。若粘滞阻尼器参数设计合理,有时也可同时降低辅助墩自身的内力。因此,对拟采用粘滞阻尼器作为横向减震装置的斜拉桥,所有辅助墩均可不设置常规的横向约束,粘滞阻尼器在地震作用下既可发挥常规横向约束的作用,又不会增加结构的温度应力。对北航道桥这种过渡墩横向采用一侧自由,一侧设置抗风支座的约束方式,设置粘滞阻尼器有2种方案:若设计目标是任何情况下横向抗风支座均不允许破坏,这时只需在自由侧过渡墩上设置粘滞阻尼器;若允许横向抗风支座在设定的地震烈度作用下剪断,则应在两侧过渡墩上均布置粘滞阻尼器。由于粘滞阻尼器参数与减震结构体系有关,因此减震分析时应明确过渡墩横向约束的设计目标,本工程采用第1种设计方案。斜拉桥上同时设置的纵向、横向粘滞阻尼器,只要在构造上处理合理,即可相互独立工作,因此,对斜拉桥可以视其具体结构形式进行纵向或横向的单向减震设计,也可以是纵向、横向同时进行减震设计。杭州湾大桥工程北航道斜拉桥纵、横向减震结构体系见图3。5结构体系及减缓效果分析在减震分析过程中,通过调整粘滞阻尼器的阻尼系数C和速度指数α,对结构进行减震优化分析,使结构达到较满意的减震效果。北航道桥纵向虽为对称结构,但由于各墩、塔处海床高程不同,结构的地震反应并不对称,对称位置上的塔、过渡墩内力相差较多;北航道桥的结构构件在横向也是对称设置的,但为限制主梁在伸缩缝处产生的侧向位移,防止伸缩缝发生剪切破坏,在过渡墩处一侧墩设横向抗风支座限位,一侧墩自由,该方案在地震或其他横向荷载作用下会在抗风支座侧过渡墩内产生很大的内力,使对称位置的两过渡墩间的内力差异很大。根据北航道桥的这些受力特点,减震分析时以同类构件控制截面内力减小最多且均衡作为粘滞阻尼器参数优化的主要目标,使所有构件的承载力均得到充分发挥,同时兼顾使粘滞阻尼器产生的阻尼力尽可能小。由于采取了合理的减震结构体系、设定了较科学的减震优化目标,使北航道桥的减震设计取得了很好的减震效果,表1列出了部分截面内力、节点位移的减震结果。由于粘滞阻尼器为速度相关型消能器,速度越大,消能越多,减震效果越好。北航道桥为满足正常使用状态下伸缩缝的安全,在塔、过渡墩一侧设置了横向抗风支座,因此主梁与另一侧过渡墩、辅助墩间的速度差较小,一定程度上限制了横向粘滞阻尼器的减震作用,而北航道桥在纵向是漂浮体系,地震作用下纵向可产生较大的运动速度,所以纵向减震效果要优于横向。6降低地震反应力(1)根据斜拉桥的结构体系,可对斜拉桥纵向或横向分别进行单向减震设计,也可以是纵向、横向同时进行减震设计。(2)对采用纵向漂浮体系的斜拉桥,纵向减震可大大降低纵向地震