三塔懸索橋型橋梁減震措施研究

三塔懸索橋型橋梁減震措施研究

結構體系設計大橋是一個重要的生命線工程，其破壞造成的損失非常大。提高橋梁的抗疲勞性能是研究的重點。常見大跨橋梁減震措施包括塔梁間設置阻尼器(MR和FVD等)、主塔以及加勁梁內設置阻尼系統(tǒng)(TMD和AMD等)、減隔震橋梁支座等。如廣東汕頭海灣二橋、日本名港中大橋在塔梁間設縱向鋼鉸線拉索,美國在金門大橋的抗震加固中增設了阻尼器,國內的上海盧浦大橋和重慶鵝公巖大橋等也設置了阻尼器,明石海峽大橋主塔內裝備了TMD以控制主塔振動。葉愛君等分析了彈性連接裝置與粘滯阻尼器對某斜拉橋地震位移的影響。王浩等以潤揚懸索橋為背景分析了控制超大跨懸索橋地震響應的具體的措施及參數(shù)選擇,并構造了綜合最優(yōu)控制效果評估模型。王志強等以東海大橋為工程背景,分析得出選擇適當?shù)牟贾梦恢煤驼硿枘崞鞯膮?shù)可以有效降低結構在地震作用下關鍵部位的相對位移并改善了構件內力。聶利英等從變形和受力兩個方面分析得出粘滯阻尼器對于梁端相對位移、速度和加速度均有減震作用,但不是始終對所有構件受力有利。TonySVader等研究了摩擦阻尼器和非線性粘滯阻尼器對舊金山奧克蘭海灣大橋的減震效果。與傳統(tǒng)兩塔懸索橋相比,三塔懸索橋的工程實例很少,目前國內有兩座在建的千米級的三塔懸索橋——泰州長江大橋和馬鞍山長江大橋。針對三塔懸索橋的相應研究較少,TorbenForsberg探討了多跨懸索橋設計問題;OsamuYoshida等分析了四跨懸索橋的結構特征,包括中塔剛度對動力特性的影響、索距對橋梁靜力特性的影響等;阮靜等對泰州三塔懸索橋中塔的結構選型進行分析,得出中塔剛度要求;鄧育林等基于Sap2000平臺,采用反應譜和線性時程分析法研究了泰州大橋的抗震性能。本文基于Abaqus平臺,以泰州長江大橋為工程背景,研究了該橋的地震響應控制。1主纜結構特點泰州長江公路大橋位于江蘇省長江的中段,北接泰州市,南聯(lián)鎮(zhèn)江市和常州市,其總體布置如圖1所示。主纜跨度為390m+1080m+1080m+390m,主纜成橋狀態(tài)矢跨比為1/9,橫橋向間距35.8m,加勁梁為封閉式流線型扁平鋼箱梁。邊塔為混凝土塔,索塔總高178.0m,中塔為變截面鋼塔,索塔總高192.0m,橫橋向為門式框架結構,縱向為人字型。在索塔內側壁與主梁間安裝橫向抗風支座,縱向設彈性索,在邊塔下橫梁上設置豎向和側向支座。2成橋狀態(tài)下主纜等效彈性模量的施加基于Abaqus建立脊梁式有限元模型如圖2所示。吊桿與主纜均采用桿單元模擬,加勁梁與橋塔采用梁單元模擬。吊桿與加勁梁間采用剛臂連接,為考慮主纜以及吊桿在恒載作用下的幾何剛度,在成橋狀態(tài)下主纜上施加初始應力,并采用Ernst等效彈性模量。中塔與加勁梁間縱橋向彈性約束采用彈簧單元模擬。邊塔與加勁梁間在橫橋向、豎向及繞縱橋向設置約束方程;中塔與加勁梁間僅在橫橋向設置約束方程。忽略土-樁-結構相互作用的影響,中、邊塔以及引橋橋墩底部完全固結,邊跨主纜端部錨固于地錨上,模型中直接約束邊纜端部的平移自由度。在恒載作用下靜力分析基礎上采用變步長進行非線性時程分析,模型中采用Rayleigh阻尼假設。在重力荷載基礎上進行模態(tài)分析,結構前6階頻率以及振型如圖3所示。3非線性粘滯阻尼器漂浮體系橋梁縱向位移過大會對橋臺結構造成不利沖擊。減小加勁梁縱向漂浮過大方法之一是在塔梁間設置縱向彈性連接裝置。彈性連接裝置的主要作用是提供彈性剛度而非耗能,因而可能會引起橋梁構件內力的增加。一般有大型橡膠支座、鋼鉸線拉索、液壓緩沖裝置等。另一種措施是在塔、梁之間設置阻尼器,通過增大結構阻尼來減小地震響應。粘滯阻尼器因阻尼系數(shù)調幅大、穩(wěn)定性好、施工維修方便等優(yōu)勢而得到廣泛應用。非線性粘滯阻尼器輸出力與端部相對速度的關系如下f=csgn(v)|v|αf=csgn(v)|v|α其中:f為輸出力;c為阻尼系數(shù);v為阻尼器端部相對速度;sgn為符號函數(shù);α為速度指數(shù)(一般α∈[0.3,1.0])。粘滯阻尼器的相對速度-阻尼力關系如圖4所示。當α<1時,稱為非線性粘滯阻尼器,速度較小時阻尼器即可以產(chǎn)生較大的阻尼力,而當速度較大時,阻尼力增加較慢;α>1時,稱為超線性阻尼器,阻尼力輸出與α<1時的情況相反;當α=1時,稱為線性粘滯阻尼器。以下分別分析3種減震方案對三塔懸索橋縱橋向地震響應的影響:a.彈性拉索;b.粘滯阻尼器;c.彈性拉索+粘滯阻尼器。彈性拉索僅設在中塔下橫梁與加勁梁間,粘滯阻尼器則在中、邊塔下橫梁與加勁梁間均設置。同一處設置的同向阻尼器,通過改變阻尼系數(shù)來等效多個阻尼器在該方向上的輸出力。主要考察物理量為:加勁梁端與邊塔頂位移、邊塔底彎矩與剪力、中塔頂位移與塔底剪力以及連接裝置自身的受力和變形。采用一致地震輸入,在模型中輸入三向地震波,文中僅列出Tianjin波(峰值取為0.15g)的計算結果。3.1拉索剛度對邊塔順橋和塔柱應力的影響彈性拉索增強了中塔與加勁梁的相互作用,改變了全橋動力特性,對結構的地震響應影響明顯。彈性拉索剛度的變化對橋梁順橋向地震響應的影響如圖5所示。由圖5(左)可見,彈性拉索剛度對中塔頂、邊塔頂以及加勁梁端位移峰值的影響并不是單調函數(shù):拉索剛度小于192MN/m時,上述位移峰值均有所增加;彈性拉索剛度大于192MN/m時,上述位移峰值均隨彈性拉索剛度的增加而快速減小。由于彈性拉索僅設置在中塔處,故對邊塔順橋向位移以及塔柱底部剪力影響很小。因彈性拉索約束加勁梁,中塔下橫梁的作用力與柱端順橋向底部剪力增加明顯,邊塔柱順橋向彎矩亦有所增加,如圖5(中)所示。彈性拉索剛度較小時(<640MN/m),中塔梁間的作用力隨拉索剛度增加而變化明顯,超過1280MN/m后,中塔梁間的作用力趨于平穩(wěn),如圖5(左)所示。由圖5(左,中)對比可見,中塔柱順橋向剪力增加與彈性拉索內力增加步調一致。鑒于人字形中塔共4根斜塔柱,從單根中塔柱順橋向剪力彈性拉索軸力對比可見,中塔柱順橋向剪力的增加不僅系由彈性拉索傳遞軸力引起。邊塔柱順橋向彎矩在拉索剛度較大時(>1280MN/m),拉索剛度的增加對其影響很小。可見,彈性拉索剛度可以考慮設置為1280MN/m。3.2阻尼系數(shù)c的影響在邊、中塔下橫梁與加勁梁間順橋向均設置型號相同的阻尼器,中塔處不設置彈性拉索。研究對比在3種不同阻尼指數(shù)下,不同阻尼系數(shù)(c=3,5,10,20,30和40MN(m/s)-α)的阻尼器的設置,對橋梁縱向地震反應的影響。阻尼系數(shù)c與速度指數(shù)α的相關影響如圖6~圖8所示。阻尼系數(shù)c對橋梁地震響應影響明顯,如隨著阻尼系數(shù)c增大,中、邊塔頂、加勁梁端順橋向位移以及中塔塔梁間相對位移峰值響應明顯減小(如圖6所示),阻尼器輸出力、邊塔柱順橋向剪力與彎矩、中塔柱順橋向剪力均增大(如圖7、圖8所示)。阻尼系數(shù)α的變化對中、邊塔頂、加勁梁端位移以及中塔塔梁間相對位移峰值響應影響較小,但對邊塔柱順橋向剪力與彎矩、中塔柱順橋向剪力影響較為明顯:阻尼系數(shù)α越小,塔柱上述內力越大。由圖7、圖8可見,阻尼指數(shù)α在較低的阻尼系數(shù)下,對阻尼器輸出力影響很小;隨著阻尼系數(shù)的增大(>15MN×(m/s)-α),α越小阻尼器輸出力越大。3.3阻尼系數(shù)對彈性拉索的影響在中塔下橫梁與加勁梁間設置彈性拉索(剛度為640MN/m),中、邊塔下橫梁與加勁梁間順橋向均設置型號相同的阻尼器,阻尼器相關參數(shù)同上節(jié)所述。對橋梁地震響應的相關影響如圖9~圖11所示。彈性拉索與粘滯阻尼器共同作用下,同樣是阻尼系數(shù)c對結構地震響應影響明顯:隨著阻尼系數(shù)c增大,中、邊塔頂、加勁梁端順橋向位移以及中塔塔梁間相對位移峰值響應明顯減小(如圖9所示),阻尼器輸出力、邊塔柱順橋向剪力與彎矩均增大(如圖11(左、中)所示),但是中塔柱順橋向剪力隨阻尼系數(shù)c的增大而減小(如圖11(右)所示)?？梢?設置阻尼器后,彈性拉索的設置在某種程度上,可以減小中塔順橋向剪力。相對于不設置彈性拉索的情況,阻尼系數(shù)α的變化對中、邊塔頂以及加勁梁端順橋向位移峰值響應、邊塔柱順橋向剪力與彎矩、中塔柱順橋向剪力影響均較為明顯(如圖11所示)。由圖10可見,中塔與加勁梁間設置彈性拉索后,隨著阻尼指數(shù)α的減小,中塔阻尼器輸出力增大明顯(如圖10(中)所示),但邊塔阻尼器輸出力增加不明顯(如圖10(左)所示)。由圖7(右)與圖10(右)可見,彈性拉索減小了中塔塔梁間的相對位移,因而對中塔處阻尼器的減震性能造成一定的影響,可以考慮減小中塔處塔梁間粘滯阻尼器相關參數(shù)。3.43加勁梁順橋振動方案針對上述3種減震方案,選取一組參數(shù)進行對比:粘滯阻尼器參數(shù):α=0.3,c=20MN/(m/s)0.3;彈性拉索剛度k=1280MN/m,地震動輸入為Tianjin波。3種減震方案對應減震率η如表1所示。列出加勁梁順橋向位移與邊塔柱底順橋向剪力時程曲線,如圖12所示。由表1可見,3種方案均可以有效減小加勁梁順橋向振動,同時設置彈性拉索與阻尼器的方案效果最好,地震位移峰值減震小了約63.4%,其次是僅設置阻尼器,最后是僅設置彈性拉索。3種減震方案均會導致邊塔柱底與中塔柱底順橋向的剪力,原因在于無減震措施時,橋梁在順橋向為漂浮體系。僅設置彈性拉索時,中塔柱底剪力增加明顯,如圖12(右)所示。由圖12(左)可見,無減震措施時,梁端位移達到峰值后振動衰減速度緩慢。上述3種減震措施均能在結構達到峰值后快速衰減,有效減小結構振動。不同減震措施下,邊塔柱順橋向的剪力和彎矩包絡如圖13所示,邊塔下橫梁與加勁梁間設置阻尼減震率η=100%×(減震后峰值-減震前峰值)/減震前峰值器導致塔柱在下橫梁處出現(xiàn)明顯的剪力突變。無論是彈性拉索、阻尼器還是兩者的組合,均在不同程度上增加了邊塔柱的剪力與彎矩,其中以同時設置彈性拉索和粘滯阻尼器最為明顯?？梢?減震措施在一定程度上減小了結構某些關鍵部位的位移,但可能導致結構內力的增加,應該引起注意。4彈性拉索剛度與振動的關系彈性拉索與粘滯阻尼器分別提高結構剛度與阻尼以減小結構地震響應。本文以泰州長江大橋為背景,研究了3種不同橋梁減震措施的減震效果:彈性拉索;粘滯阻尼器;彈性拉索與粘滯阻尼器,并分別研究了各方案中不同參數(shù)對結構減震效果的影響。研究結果表明:(1)梁端位移、邊塔、中塔頂位移隨彈性拉索剛度的增加而減小,但由此增加了中塔的地震作用力,故應綜合考慮變形和構件內力,以選取適當?shù)膭偠葦?shù)值。(2)粘滯阻尼器阻尼