主跨532 m公铁两用斜拉桥的地震响应及阻尼器减震效果研究

郭 辉，李永强，胡所亭，班新林

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

主跨532 m公铁两用斜拉桥的地震响应及阻尼器减震效果研究

郭 辉，李永强，胡所亭，班新林

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

以我国首座跨海公铁两用钢桁斜拉桥——元洪航道桥(主跨532 m)为研究对象，采用空间板梁单元法建立有限元模型，对该桥地震响应特征及阻尼器减震效果等进行了研究。结果表明:大跨度斜拉桥动力特性分析除应考虑拉索垂度效应外，也应同时考虑梁—柱效应;动力特性分析时宜优先采用多重Ritz向量法，以使振型参与质量更快达到抗震计算要求;不同地震水平下，边墩和辅助墩的墩底、主塔塔底和下横梁附近截面将承受较大弯矩，为地震易损部位;N4#塔梁间设置纵向黏滞阻尼器后，罕遇地震作用下N3#主塔(支座纵向固定)顺桥向弯矩、结构纵向位移均明显减小，最大减幅分别达40.6%和44.8%，减震效果明显。

公铁两用斜拉桥 动力特性 地震易损部位 黏滞阻尼器 减震效果

我国大跨度公铁两用斜拉桥建设以2001年建成的主跨312 m的芜湖长江大桥为起点，近年来又先后建成武汉天兴洲长江大桥(主跨504 m，2008年)、黄冈长江大桥(主跨567 m，2013年)和铜陵长江大桥(主跨630 m，2013年)等大跨度公铁两用斜拉桥。正在施工中的平潭海峡大桥，是我国首座公铁两用跨海桥梁，其中三座通航孔桥——元洪航道桥、鼓屿门水道桥和大小练岛水道桥，均为钢桁梁斜拉桥，主跨跨径分别为532，364和336 m。大跨度公铁两用斜拉桥的发展使其抗震问题倍受关注，如何保证大桥在地震作用下的结构安全，满足不同设防目标，是目前研究的热点［1-3］。与普通桥梁不同的是，大跨度斜拉桥的地震反应分析受结构复杂性的影响往往成为工作量最大也最为复杂的环节，地震响应分析结果的合理性直接影响斜拉桥的设计和抗震性能评估［4-5］。因此，有必要对大跨度公铁两用斜拉桥的地震响应规律进行深入研究。

本文以主跨532 m的公铁两用斜拉桥——元洪航道桥为例，分别从结构动力特性、地震作用下结构响应特征、纵向黏滞阻尼器的减震效果等方面进行了研究，研究结论可为同类型桥梁的建造提供参考。

图1 元洪航道桥立面布置(单位:m)

1 工程概况

元洪航道桥是新建福州至平潭铁路平潭海峡大桥的控制性工程，桥跨具体布置为:(132+196+532+ 196+132)m，其中上层为双向六车道公路，下层为双线铁路。主桥立面布置图如图1所示，墩(塔)编号从左至右依次为N1#～N6#。主梁采用带斜副桁的直桁截面，上层公路桥面除梁端6个节间为钢桁—混凝土结合桥面外，其它均为正交异性钢板的板桁组合结构整体桥面，下层铁路桥面采用正交异性板整体桥面结构。主梁顶宽35.6 m，桁高13.5 m，下弦桁宽15 m。主塔采用“H”形混凝土结构，N3#及N4#塔塔顶高程均为+205.0 m，塔根高程-16.5 m(施工图设计阶段)，承台以上塔高221.5 m。考虑到海水下承台施工难度很大，塔根高程后续又变更为+5.0 m。本次分析以原施工图设计阶段塔高程为准。

2 设防标准及地震动输入

根据《平潭上岛铁路海坛海峡大桥工程场地地震安全性评价报告》(以下简称《安评报告》)提供的16.2 m深度处的峰值加速度，本桥的抗震设防标准为:

1)多遇地震(100年超越概率63%)的地震动参数PGA=48 gal，水平地震动峰值加速度Amax= 0.048g，同时考虑重要性系数1.5;

2)设计地震(100年超越概率10%)的地震动参数PGA=127 gal，水平地震动峰值加速度Amax= 0.127g;

3)罕遇地震(100年超越概率4%)的地震动参数PGA=185 gal，水平地震动峰值加速度Amax=0.185g。

反应谱采用《安评报告》中的设计加速度反应谱，如表1及图2所示。

表1 工程场地水平向设计反应谱参数(阻尼比5%)

图2 反应谱曲线

本桥为A类桥梁，桥梁结构地震响应在多遇地震作用下的计算应采用反应谱法及时程分析法相互校核，罕遇地震作用下采用时程法分析，同时要求线性时程分析结果不应小于反应谱结果的80%［6-7］。

地震作用效应计算采用CQC法进行振型组合［7］。分别输入多遇地震、设计地震及罕遇地震条件下的水平纵向、水平横向的设计加速度反应谱，竖向设计加速度反应谱则根据规范规定取水平向对应值的65%输入。地震输入采用两种方式，即水平纵向+竖向、水平横向+竖向。方向组合采用平方和开方法(SRSS法)。

加速度时程曲线根据《安评报告》提供的加速度反应谱经人工拟合后得到，给出多遇地震和罕遇地震下的代表性加速度时程曲线，如图3所示。

进行时程分析时，地震动输入采用两种组合:①水平纵向+竖向;②水平横向+竖向。根据《安评报告》，竖向输入取为水平向输入的2/3。本桥主塔及墩身为混凝土，主梁为钢材，不同材料的阻尼比不同，各振型阻尼的计算采用应变能因子方法，其中钢结构的阻尼比取0.02，混凝土结构阻尼比取0.05［7］。

图3 地震加速度代表性时程曲线

3 结构动力特性分析

计算动力特性时需合理考虑结构质量、刚度分布以及边界条件［5］。本桥采用空间板梁单元法进行有限元建模。其中，铁路及公路桥面板、桥门架采用板单元模拟，斜拉索采用桁架单元模拟，其余均采用梁单元模拟。分别采用Lanzcos法、多重Ritz向量法计算桥梁前300阶自振频率及振型。本文给出了前10阶自振频率和振型如表2所示，部分振型图如图4所示。从表中可见，本桥第一阶振型为主桁横弯、第二阶为纵漂，表明结构横向刚度较纵向偏弱;在拉索垂度效应基础上进一步考虑梁—柱效应，结构自振频率整体上出现一定程度降低，表明梁柱效应引起结构刚度降低;采用多重Ritz向量法，同时考虑以上两类几何非线性，得到的前10阶振型及自振频率与Lanzcos法相同，但前300阶振型结果表明，多重Ritz向量法可使各方向特别是竖向振型参与质量更快达到90%(因其求出的是和激发荷载向量直接相关的振型)，而Lanzcos法在第300阶时竖向振型参与质量为46.8%，建议结构地震响应分析时优先采用多重Ritz向量法。

表2 元洪航道桥自振频率及振型

图4 结构主要振型

4 地震响应特征及易损部位分析

罕遇地震下采用反应谱分析得到的结构各主要部位的地震响应如表3所示。从表中可见，地震作用下墩底内力特别是墩底弯矩明显大于墩顶，地震易损部位在墩底。主塔的地震易损部位是塔底截面、下横梁上侧塔柱截面和下侧塔柱截面。此外，在横向地震作用下，上、下横梁端部反应较大，也是地震易损部位。在设计时对上述地震易损部位应予以重视，保证其抗震性能。

5 纵向黏滞阻尼器对减震效果的影响

为减少制动塔地震响应，可以在活动塔塔梁处设置阻尼器装置，通过对阻尼器进行参数优化研究，最终确定合理的阻尼器布置方式，纵向阻尼器参数如表4所示。

为合理模拟纵向黏滞阻尼器的减震效果，采用非线性时程分析方法计算桥梁结构的地震响应，内力及位移结果分别如表5、表6所示。

表3 罕遇地震作用下结构各主要部位的地震响应(反应谱法)

表4 阻尼器技术参数

表5 罕遇地震作用下结构主要部位的内力响应(非线性时程分析，考虑阻尼器)

表6 罕遇地震作用下结构主要部位的位移响应(非线性时程分析，考虑阻尼器)mm

表7 线性时程与非线性时程分析内力结果对比(承台底截面，罕遇地震)

从表5可见，各墩墩底、主塔塔底同样是地震响应较大的部位，在抗震设计时需对这些部位的配筋进行合理布置。从表6可见，本文计算结果与文献［8］值整体上符合较好，产生差别的主要原因是:建立的动力分析模型不完全一致，使得动力特性乃至地震响应存在一定差别;两者采用的时程波不一致;本文在计算地震响应时考虑了结构前300阶振型，而文献［8］中取前100阶振型。

进一步比较罕遇地震作用下线性时程与非线性时程的承台底内力计算结果，如表7及表8所示。从结果可见，非线性时程对应的主塔承台底纵向弯矩明显减小，减小量为4.28×106kN·m，减幅达40.6%，发生在N3#塔承台底截面，这主要是因为非线性时程分析考虑了纵向黏滞阻尼器的作用。同时，结构各关键点位置处的纵向位移明显减小，减幅最大达44.8%，出现在N3#塔塔顶位置，但对结构横桥向位移的影响很小，说明纵向黏滞阻尼器可以明显减小结构纵向位移响应。同时，阻尼器减震效果在定量上与其它研究结论一致［9］。

表8 线性时程与非线性时程分析位移结果对比(罕遇地震)mm

6 结论

采用反应谱和时程分析方法对元洪航道桥进行地震响应研究，得到以下结论:

1)进行大跨度公铁两用斜拉桥动力特性分析时除应考虑拉索垂度效应外，还应计入梁—柱效应的影响;动力特性分析宜首先考虑采用多重Ritz向量法，使振型参与质量在满足抗震计算要求的同时不至于增加更多阶频率数目。

2)本桥的地震响应分析结果表明，地震易损部位是边墩及辅助墩墩底截面、主塔塔底截面及下横梁的上下端部塔柱截面，设计时应予以重视。

3)考虑黏滞阻尼器的非线性时程分析结果表明，罕遇地震作用下，主塔N3#承台底纵向弯矩明显减小，弯矩最大减幅达40.6%，同时N3#塔塔顶纵向位移减小约44.8%。在大跨度公铁两用斜拉桥的设计中宜采用半漂浮或漂浮体系，同时在塔梁间设置阻尼和限位的结构体系，在降低地震响应方面具有较大优势。

［1］韩艳，夏禾，郭薇薇.斜拉桥在地震和列车荷载同时作用下的动力响应分析［J］.工程力学，2006，23(1):93-98.

［2］李杰，李娜.单索面低塔斜拉板桁组合公铁两用桥地震响应分析［J］.公路，2010(10):9-13.

［3］阮怀圣，李龙安，杨光武，等.黄冈公铁两用长江大桥抗震技术研究［J］.桥梁建设，2013，43(6):34-39.

［4］张喜刚，陈艾荣.千米级斜拉桥——结构体系、性能与设计［M］.北京:人民交通出版社，2010.

［5］范立础.桥梁抗震［M］.上海:同济大学出版社，1997.

［6］中华人民共和国建设部.GB 50111—2006铁路工程抗震设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2009.

［7］中华人民共和国交通运输部.JTG/T B02-01—2008公路桥梁抗震设计细则［S］.北京:人民交通出版社，2008.

［8］中铁大桥勘测设计院集团有限公司.新建铁路福州至平潭铁路平潭海峡公铁两用大桥(元洪航道桥532 m钢桁斜拉桥)结构抗风、抗震分析报告［R］.武汉:中铁大桥勘测设计院集团有限公司，2013.

［9］亓兴军，李小军，李美玲.设置粘滞阻尼器的大跨斜拉桥抗震分析［J］.铁道建筑，2007(1):1-3.

Research on earthquake response of highway and railway shared cable-stayed bridge with 532 m-main span and vibration-reducing effect of damper

GUOHui，LI Yongqiang，HU Suoting，BAN Xinlin
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

The Yuanhong Channel Bridge in Pingtan Railway is the first and the largest highway and railway shared cable-stayed steel bridge crossing the strait in China with the main span of 532 m.The seismic response and seismic mitigation effect of dampers of this bridge was studied based on a spatial plate-beam finite element model.Both sag effect and beam-column effect shall be considered for the analysis of the dynamic characteristics of the large-span cable-stayed bridge.Ritz method was suggested，satisfying the requirement for the faster seismic calculation.It's prone to damage at the bottom of the side and auxiliary pier，the tower's root region and its lower transverse beam under different seismic level.After installing the viscous damper in the longitudinal direction between the N 4#pylon and girder，the decrease of longitudinal bending moment of the N3#pylon(with bearings fixed in longitudinal direction) and that of the longitudinal displacement were significant under rarely occurred earthquake，with the maximum decrease rate of 40.6%and44.8%respectively，indicating good effect of seismic mitigation.

Highway and railway shared Cable-Stayed Bridge;Dynamic properties;Seismic vulnerable region; Viscous damper;Seismic mitigation effect

U442.5+4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.03

1003-1995(2015)01-0014-05

(责任审编 孟庆伶)

2014-10-10;

2014-11-03

郭辉(1982—)，男，湖南常德人，助理研究员，博士。