南寧大橋曲線梁非對稱外傾拱橋的動力特性分析

南寧大橋曲線梁非對稱外傾拱橋的動力特性分析

1均衡一橋結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建在建成的南寧大橋上，橫跨廣西河，連接青秀山景區(qū)和廣西寧龍新區(qū)。根據(jù)地標的功能要求和景觀要求，主橋的結(jié)構(gòu)形狀采用曲線梁非對稱外傾斜拱橋（圖1）。其主跨跨徑300m,由2條傾斜的鋼箱拱肋(其中在肋間平臺以下為鋼筋混凝土拱)、橋面曲線鋼箱梁、傾斜的吊桿、系桿及肋間平臺共同構(gòu)成一個多元化的空間結(jié)構(gòu)體系,承擔(dān)三維空間的全部荷載。南寧大橋的主橋鋼箱梁與肋間平臺分離,由設(shè)于肋間平臺前端的牛腿、支座支承主橋鋼箱梁,相對應(yīng)此處設(shè)置了伸縮縫。在縱橋向地震作用下伸縮縫處主橋鋼箱梁的縱向位移相對較大,為防止主橋鋼箱梁與肋間平臺發(fā)生碰撞而損壞,必須設(shè)置適當(dāng)?shù)目v向限位裝置(減震措施)。目前國內(nèi)外大跨度橋梁的塔(墩)、梁之間設(shè)置的減震連接裝置大致分成彈性連接裝置和阻尼器兩類,而粘滯阻尼器具有較為明顯的優(yōu)點:①粘滯阻尼器并不顯著增加橋墩的受力;②粘滯阻尼器在蠕變變形下,其抗力接近于0,這使得該裝置的引入不會影響到橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用功能。因此,跨越希臘科林斯海峽的里翁—安蒂里翁(Rion-Antirion)大橋、美國奧克蘭(Oakland)海灣橋西跨懸索橋加固,都使用了粘滯阻尼器;在國內(nèi),重慶鵝公巖大橋和上海盧浦大橋也安裝了類似的粘滯阻尼器。在南寧大橋的設(shè)計中,也首選粘滯阻尼器作為減震措施;為使其具有良好的效果,對其參數(shù)進行分析就顯得十分重要。2結(jié)構(gòu)動力特性由于南寧大橋引橋與主橋存在耦連,動力特性和地震響應(yīng)相互影響,結(jié)構(gòu)抗震研究需將主橋、引橋一起考慮進行空間有限元模型的建模。其中,主橋主梁、主拱肋、引橋主梁和橋墩用梁單元模擬,水平系桿、吊索用桁架單元模擬(考慮恒載內(nèi)力引起的幾何剛度影響),樁基礎(chǔ)用土彈簧模擬,肋間橫墻用殼單元模擬,支座通過彈簧單元來模擬;最后,引橋與肋間平臺之間的伸縮縫、主橋主梁與肋間平臺之間的伸縮縫通過主從約束來模擬其影響(縱橋向可自由滑動,豎向、橫橋向約束等),最終建立的全橋有限元模型見圖2。根據(jù)動力計算模型,對該橋進行了結(jié)構(gòu)動力特性的分析研究,主要是了解結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)特性,南寧大橋結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的一些主要動力特性計算結(jié)果見表1。主橋第1階振動模態(tài)為主梁縱飄,且周期長達10.5s,導(dǎo)致地震作用下,主梁在伸縮縫處的相對位移很大(27.6cm)。從表1中還可以看出,該橋前9階振動模態(tài)中以拱肋振動模態(tài)較多,且頻率較低,其主要原因是東西兩鋼箱拱肋之間無橫向聯(lián)系。此外,拱肋橫向振動模態(tài)成對出現(xiàn),如第2階和第3階、第7階和第8階,這種現(xiàn)象是由于兩拱肋的不對稱性造成的。3縱橋向的位移通過對南寧大橋的抗震性能研究表明,主橋的地震響應(yīng)基本滿足預(yù)期的性能要求,但也反映出主橋主梁在地震作用下縱橋向的位移相對較大,達到27.6cm(設(shè)計伸縮縫最大位移±16cm)。在地震作用下,主橋主梁可能會與肋間平臺發(fā)生碰撞而損傷,因此必須對此處的變形予以控制,選用粘滯阻尼器作為減震措施是必要的。3.1后壓力差導(dǎo)致的阻尼力粘滯阻尼器的基本構(gòu)造由活塞、油缸及節(jié)流孔組成。所謂節(jié)流孔是指具有比油缸截面積小的流通通路。這類裝置是利用活塞前后壓力差使油流過節(jié)流孔產(chǎn)生阻尼力,典型的粘滯阻尼器構(gòu)造見圖3。阻尼力與相對變形的速度關(guān)系可表達為:F=CVξ(1)F=CVξ(1)式中,F為阻尼力,C是阻尼系數(shù),V是速度,ξ是指數(shù)(其取值范圍在0.1~2.0,從抗震角度看,常用值一般在0.2~1.0范圍內(nèi))。阻尼器參數(shù)ξ選取的不同,阻尼器阻尼力與速度關(guān)系曲線形狀的變化規(guī)律見圖4。3.2結(jié)構(gòu)參數(shù)分析為合理地確定粘滯阻尼器參數(shù),首先需要有一個合理的地震響應(yīng)作為參照標準?？紤]伸縮縫處滑動支座在地震作用下提供一定的摩擦耗能減震作用,但不設(shè)置阻尼器的工況。依此工況作為參照標準,同隨后設(shè)有阻尼器的工況進行地震響應(yīng)比較,從而確定阻尼器控制位移的效果和設(shè)計參數(shù)。從公式(1)可知,粘滯阻尼器參數(shù)C、ξ選取的不同,阻尼器對結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響也不同。因此,需對結(jié)構(gòu)引入阻尼器的情況進行結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析,主要考慮對阻尼器參數(shù)C、ξ進行參數(shù)敏感性分析,研究這些參數(shù)變化對結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響的變化規(guī)律,為合理選用阻尼器參數(shù)提供依據(jù)。地震動輸入為南岸50年超越概率2%地表加速度時程,取3條樣本的地震波。阻尼指數(shù)ξ范圍為0.2~1.0,阻尼系數(shù)C的范圍為1000~3000。參數(shù)敏感性分析主要包括兩方面的內(nèi)容:一部分是阻尼器阻尼指數(shù)ξ不變,改變阻尼系數(shù)C;另一部分是保持阻尼系數(shù)C不變,改變阻尼指數(shù)ξ的取值。參數(shù)分析中,選取結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的地震響應(yīng)如鋼拱拱腳彎矩、軸力,鋼筋混凝土拱腳彎矩、軸力,承臺底彎矩和剪力等響應(yīng)進行對比分析。限于文章篇幅,此處僅給出鋼筋混凝土拱腳、承臺底彎矩的地震響應(yīng)變化規(guī)律進行比較,見圖5、圖6。從圖5、6可知,鋼筋混凝土拱腳彎矩、承臺底彎矩響應(yīng)基本上隨阻尼指數(shù)ξ值增加而增加,隨阻尼系數(shù)C值增加而減小。圖7、8給出伸縮縫處相對位移和阻尼器阻尼力的變化規(guī)律。伸縮縫處的相對位移響應(yīng)是隨阻尼指數(shù)ξ值的增加而增加,隨阻尼系數(shù)C值的增加而減小,阻尼器的阻尼力隨阻尼指數(shù)ξ增加而減小,隨阻尼系數(shù)C增加而增大。從各參數(shù)的變化規(guī)律及結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的響應(yīng)來看,阻尼器的設(shè)置對結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件如鋼拱腳、鋼筋混凝土拱腳以及承臺底的內(nèi)力影響幅度較小,但對伸縮縫處的位移影響較大。在以不增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力和最大限度地降低主梁在伸縮縫處的位移為目的的前提下,考慮地震動的不確定性,比較合適的阻尼器參數(shù)取值范圍為:阻尼力500~2000kN,阻尼系數(shù)C在2000左右,指數(shù)范圍在0.35左右,這樣伸縮縫處的地震位移可控制在10cm以內(nèi)。3.3主梁粘滯阻尼器的設(shè)計參數(shù)根據(jù)對阻尼器參數(shù)的敏感性分析,從主梁與肋間平臺之間沿主梁軸線的相對位移、阻尼抗力、以及經(jīng)濟性方面考慮,確定南寧大橋所采用的粘滯阻尼器設(shè)計參數(shù)為:在主橋南北兩側(cè)與肋間平臺連接的伸縮縫處共設(shè)置4個粘滯阻尼器,阻尼系數(shù)C=2000,阻尼指數(shù)ξ=0.35,設(shè)置阻尼器前后主橋伸縮縫處位移(地震波的平均值)見表2,主梁伸縮縫處相對位移的對比見圖9。通過表2及圖9可以看出,設(shè)置縱向阻尼器后,主梁的縱向位移得到大幅度的改善,避免了在地震作用下主梁與肋間平臺發(fā)生碰撞的可能性。4減少主梁伸縮縫處相對位移(1)阻尼器參數(shù)ξ、C對南寧大橋主橋結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件內(nèi)力的影響幅度較小,但對伸縮縫處的位移影響較大。(2)在伸縮縫處設(shè)置合理的阻尼器參數(shù)的粘滯阻尼器,可以有效地減小主梁伸縮縫處縱向相對位移,從27cm左右降低為10cm,從而有效