三塔悬索桥型桥梁减震措施研究

三塔悬索桥型桥梁减震措施研究

结构体系设计大桥是一个重要的生命线工程，其破坏造成的损失非常大。提高桥梁的抗疲劳性能是研究的重点。常见大跨桥梁减震措施包括塔梁间设置阻尼器(MR和FVD等)、主塔以及加劲梁内设置阻尼系统(TMD和AMD等)、减隔震桥梁支座等。如广东汕头海湾二桥、日本名港中大桥在塔梁间设纵向钢铰线拉索,美国在金门大桥的抗震加固中增设了阻尼器,国内的上海卢浦大桥和重庆鹅公岩大桥等也设置了阻尼器,明石海峡大桥主塔内装备了TMD以控制主塔振动。叶爱君等分析了弹性连接装置与粘滞阻尼器对某斜拉桥地震位移的影响。王浩等以润扬悬索桥为背景分析了控制超大跨悬索桥地震响应的具体的措施及参数选择,并构造了综合最优控制效果评估模型。王志强等以东海大桥为工程背景,分析得出选择适当的布置位置和粘滞阻尼器的参数可以有效降低结构在地震作用下关键部位的相对位移并改善了构件内力。聂利英等从变形和受力两个方面分析得出粘滞阻尼器对于梁端相对位移、速度和加速度均有减震作用,但不是始终对所有构件受力有利。TonySVader等研究了摩擦阻尼器和非线性粘滞阻尼器对旧金山奥克兰海湾大桥的减震效果。与传统两塔悬索桥相比,三塔悬索桥的工程实例很少,目前国内有两座在建的千米级的三塔悬索桥——泰州长江大桥和马鞍山长江大桥。针对三塔悬索桥的相应研究较少,TorbenForsberg探讨了多跨悬索桥设计问题;OsamuYoshida等分析了四跨悬索桥的结构特征,包括中塔刚度对动力特性的影响、索距对桥梁静力特性的影响等;阮静等对泰州三塔悬索桥中塔的结构选型进行分析,得出中塔刚度要求;邓育林等基于Sap2000平台,采用反应谱和线性时程分析法研究了泰州大桥的抗震性能。本文基于Abaqus平台,以泰州长江大桥为工程背景,研究了该桥的地震响应控制。1主缆结构特点泰州长江公路大桥位于江苏省长江的中段,北接泰州市,南联镇江市和常州市,其总体布置如图1所示。主缆跨度为390m+1080m+1080m+390m,主缆成桥状态矢跨比为1/9,横桥向间距35.8m,加劲梁为封闭式流线型扁平钢箱梁。边塔为混凝土塔,索塔总高178.0m,中塔为变截面钢塔,索塔总高192.0m,横桥向为门式框架结构,纵向为人字型。在索塔内侧壁与主梁间安装横向抗风支座,纵向设弹性索,在边塔下横梁上设置竖向和侧向支座。2成桥状态下主缆等效弹性模量的施加基于Abaqus建立脊梁式有限元模型如图2所示。吊杆与主缆均采用杆单元模拟,加劲梁与桥塔采用梁单元模拟。吊杆与加劲梁间采用刚臂连接,为考虑主缆以及吊杆在恒载作用下的几何刚度,在成桥状态下主缆上施加初始应力,并采用Ernst等效弹性模量。中塔与加劲梁间纵桥向弹性约束采用弹簧单元模拟。边塔与加劲梁间在横桥向、竖向及绕纵桥向设置约束方程;中塔与加劲梁间仅在横桥向设置约束方程。忽略土-桩-结构相互作用的影响,中、边塔以及引桥桥墩底部完全固结,边跨主缆端部锚固于地锚上,模型中直接约束边缆端部的平移自由度。在恒载作用下静力分析基础上采用变步长进行非线性时程分析,模型中采用Rayleigh阻尼假设。在重力荷载基础上进行模态分析,结构前6阶频率以及振型如图3所示。3非线性粘滞阻尼器漂浮体系桥梁纵向位移过大会对桥台结构造成不利冲击。减小加劲梁纵向漂浮过大方法之一是在塔梁间设置纵向弹性连接装置。弹性连接装置的主要作用是提供弹性刚度而非耗能,因而可能会引起桥梁构件内力的增加。一般有大型橡胶支座、钢铰线拉索、液压缓冲装置等。另一种措施是在塔、梁之间设置阻尼器,通过增大结构阻尼来减小地震响应。粘滞阻尼器因阻尼系数调幅大、稳定性好、施工维修方便等优势而得到广泛应用。非线性粘滞阻尼器输出力与端部相对速度的关系如下f=csgn(v)|v|αf=csgn(v)|v|α其中:f为输出力;c为阻尼系数;v为阻尼器端部相对速度;sgn为符号函数;α为速度指数(一般α∈[0.3,1.0])。粘滞阻尼器的相对速度-阻尼力关系如图4所示。当α<1时,称为非线性粘滞阻尼器,速度较小时阻尼器即可以产生较大的阻尼力,而当速度较大时,阻尼力增加较慢;α>1时,称为超线性阻尼器,阻尼力输出与α<1时的情况相反;当α=1时,称为线性粘滞阻尼器。以下分别分析3种减震方案对三塔悬索桥纵桥向地震响应的影响:a.弹性拉索;b.粘滞阻尼器;c.弹性拉索+粘滞阻尼器。弹性拉索仅设在中塔下横梁与加劲梁间,粘滞阻尼器则在中、边塔下横梁与加劲梁间均设置。同一处设置的同向阻尼器,通过改变阻尼系数来等效多个阻尼器在该方向上的输出力。主要考察物理量为:加劲梁端与边塔顶位移、边塔底弯矩与剪力、中塔顶位移与塔底剪力以及连接装置自身的受力和变形。采用一致地震输入,在模型中输入三向地震波,文中仅列出Tianjin波(峰值取为0.15g)的计算结果。3.1拉索刚度对边塔顺桥和塔柱应力的影响弹性拉索增强了中塔与加劲梁的相互作用,改变了全桥动力特性,对结构的地震响应影响明显。弹性拉索刚度的变化对桥梁顺桥向地震响应的影响如图5所示。由图5(左)可见,弹性拉索刚度对中塔顶、边塔顶以及加劲梁端位移峰值的影响并不是单调函数:拉索刚度小于192MN/m时,上述位移峰值均有所增加;弹性拉索刚度大于192MN/m时,上述位移峰值均随弹性拉索刚度的增加而快速减小。由于弹性拉索仅设置在中塔处,故对边塔顺桥向位移以及塔柱底部剪力影响很小。因弹性拉索约束加劲梁,中塔下横梁的作用力与柱端顺桥向底部剪力增加明显,边塔柱顺桥向弯矩亦有所增加,如图5(中)所示。弹性拉索刚度较小时(<640MN/m),中塔梁间的作用力随拉索刚度增加而变化明显,超过1280MN/m后,中塔梁间的作用力趋于平稳,如图5(左)所示。由图5(左,中)对比可见,中塔柱顺桥向剪力增加与弹性拉索内力增加步调一致。鉴于人字形中塔共4根斜塔柱,从单根中塔柱顺桥向剪力弹性拉索轴力对比可见,中塔柱顺桥向剪力的增加不仅系由弹性拉索传递轴力引起。边塔柱顺桥向弯矩在拉索刚度较大时(>1280MN/m),拉索刚度的增加对其影响很小。可见,弹性拉索刚度可以考虑设置为1280MN/m。3.2阻尼系数c的影响在边、中塔下横梁与加劲梁间顺桥向均设置型号相同的阻尼器,中塔处不设置弹性拉索。研究对比在3种不同阻尼指数下,不同阻尼系数(c=3,5,10,20,30和40MN(m/s)-α)的阻尼器的设置,对桥梁纵向地震反应的影响。阻尼系数c与速度指数α的相关影响如图6~图8所示。阻尼系数c对桥梁地震响应影响明显,如随着阻尼系数c增大,中、边塔顶、加劲梁端顺桥向位移以及中塔塔梁间相对位移峰值响应明显减小(如图6所示),阻尼器输出力、边塔柱顺桥向剪力与弯矩、中塔柱顺桥向剪力均增大(如图7、图8所示)。阻尼系数α的变化对中、边塔顶、加劲梁端位移以及中塔塔梁间相对位移峰值响应影响较小,但对边塔柱顺桥向剪力与弯矩、中塔柱顺桥向剪力影响较为明显:阻尼系数α越小,塔柱上述内力越大。由图7、图8可见,阻尼指数α在较低的阻尼系数下,对阻尼器输出力影响很小;随着阻尼系数的增大(>15MN×(m/s)-α),α越小阻尼器输出力越大。3.3阻尼系数对弹性拉索的影响在中塔下横梁与加劲梁间设置弹性拉索(刚度为640MN/m),中、边塔下横梁与加劲梁间顺桥向均设置型号相同的阻尼器,阻尼器相关参数同上节所述。对桥梁地震响应的相关影响如图9~图11所示。弹性拉索与粘滞阻尼器共同作用下,同样是阻尼系数c对结构地震响应影响明显:随着阻尼系数c增大,中、边塔顶、加劲梁端顺桥向位移以及中塔塔梁间相对位移峰值响应明显减小(如图9所示),阻尼器输出力、边塔柱顺桥向剪力与弯矩均增大(如图11(左、中)所示),但是中塔柱顺桥向剪力随阻尼系数c的增大而减小(如图11(右)所示)。可见,设置阻尼器后,弹性拉索的设置在某种程度上,可以减小中塔顺桥向剪力。相对于不设置弹性拉索的情况,阻尼系数α的变化对中、边塔顶以及加劲梁端顺桥向位移峰值响应、边塔柱顺桥向剪力与弯矩、中塔柱顺桥向剪力影响均较为明显(如图11所示)。由图10可见,中塔与加劲梁间设置弹性拉索后,随着阻尼指数α的减小,中塔阻尼器输出力增大明显(如图10(中)所示),但边塔阻尼器输出力增加不明显(如图10(左)所示)。由图7(右)与图10(右)可见,弹性拉索减小了中塔塔梁间的相对位移,因而对中塔处阻尼器的减震性能造成一定的影响,可以考虑减小中塔处塔梁间粘滞阻尼器相关参数。3.43加劲梁顺桥振动方案针对上述3种减震方案,选取一组参数进行对比:粘滞阻尼器参数:α=0.3,c=20MN/(m/s)0.3;弹性拉索刚度k=1280MN/m,地震动输入为Tianjin波。3种减震方案对应减震率η如表1所示。列出加劲梁顺桥向位移与边塔柱底顺桥向剪力时程曲线,如图12所示。由表1可见,3种方案均可以有效减小加劲梁顺桥向振动,同时设置弹性拉索与阻尼器的方案效果最好,地震位移峰值减震小了约63.4%,其次是仅设置阻尼器,最后是仅设置弹性拉索。3种减震方案均会导致边塔柱底与中塔柱底顺桥向的剪力,原因在于无减震措施时,桥梁在顺桥向为漂浮体系。仅设置弹性拉索时,中塔柱底剪力增加明显,如图12(右)所示。由图12(左)可见,无减震措施时,梁端位移达到峰值后振动衰减速度缓慢。上述3种减震措施均能在结构达到峰值后快速衰减,有效减小结构振动。不同减震措施下,边塔柱顺桥向的剪力和弯矩包络如图13所示,边塔下横梁与加劲梁间设置阻尼减震率η=100%×(减震后峰值-减震前峰值)/减震前峰值器导致塔柱在下横梁处出现明显的剪力突变。无论是弹性拉索、阻尼器还是两者的组合,均在不同程度上增加了边塔柱的剪力与弯矩,其中以同时设置弹性拉索和粘滞阻尼器最为明显。可见,减震措施在一定程度上减小了结构某些关键部位的位移,但可能导致结构内力的增加,应该引起注意。4弹性拉索刚度与振动的关系弹性拉索与粘滞阻尼器分别提高结构刚度与阻尼以减小结构地震响应。本文以泰州长江大桥为背景,研究了3种不同桥梁减震措施的减震效果:弹性拉索;粘滞阻尼器;弹性拉索与粘滞阻尼器,并分别研究了各方案中不同参数对结构减震效果的影响。研究结果表明:(1)梁端位移、边塔、中塔顶位移随弹性拉索刚度的增加而减小,但由此增加了中塔的地震作用力,故应综合考虑变形和构件内力,以选取适当的刚度数值。(2)粘滞阻尼器阻尼