长联大跨连续钢桁梁抗震型式研究

李金铭

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安　710043)



长联大跨连续钢桁梁抗震型式研究

李金铭

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043)

摘要：以黄大线黄河特大桥主桥(120+4×180+120) m下承式连续钢桁梁结构为实际工程背景， 研究非线性黏滞阻尼器对该桥抗震性能的影响。利用Midas/civil建立空间有限元模型，选用适合桥址处场地等级及地震特性的3条地震波，采用非线性时程分析方法，检算在活动墩与主梁之间设置液体黏滞阻尼器装置和无阻尼器的不同抗震效果。结论表明在活动墩与主梁之间设置液体黏滞阻尼器装置，有效协调各活动墩在动力作用下的参与工作，降低固定主墩地震力，有效提高主桥的地震设防标准。

关键词：铁路桥；钢桁梁 ； 减隔震 ；阻尼器

工学学士，E-mail：80447108@qq.com。

1工程概况

黄大线黄河特大桥是黄大铁路最为关键的控制性大型桥梁工程，地处山东省东北部黄河下游鲁北平原区，在山东省滨州市东北的利津县附近跨越黄河，距离黄河入海口约100～120 km。桥址位于七度地震区(地震动峰值加速度a=0.1g，地震动反应谱特征周期Tg=0.70 s)，主桥为1联(120+4×180+120) m下承式连续钢桁梁结构，联长达961.5 m，上部结构质量约17 000 t，地震力已成为桥梁下部结构的主要控制因素。如何既保证大桥的抗震安全性，又不致使造价增加，在经济与安全之间进行合理平衡，提出合理的桥梁抗震设防安全度原则、确定合理的结构体系具有非常重要的意义。

黄河特大桥主桥上部结构采用(120+4×180+120) m下承式明桥面连续钢桁梁，钢桁梁全长962 m。钢梁采用有竖杆三角式平弦桁梁、整体节点，桁高18.0 m，为最大跨径的1/10；节间长度10 m，桁宽11.0 m，宽跨比为1/16.4，桥面采用常规明桥面体系。钢桁梁部分主桁构件材质采用Q370qE钢；桥面系、联结系等材质采用Q345qE；型钢材质采用Q235q，连接螺栓采用高强度螺栓，材质选用35VB，抗滑移系数f≥0.45。主桥桥墩全部采用圆端形桥墩，迎水面侧设置钢筋混凝土破冰体。基础采用直径1.8 m钢筋混凝土钻孔桩。地质条件：据钻探揭示地表以下80 m范围内，地层以粉质黏土、粉土为主，没有良好的天然基础持力层。桥址范围内地下水稳定水位埋深1～3 m，地下水位以下15 m范围部分段落饱和粉土、砂土为液化土层。连续钢桁梁布置如图1所示。

图1　(120+4×180+120) m下承式明桥面连续钢桁梁布置(单位：cm)

2阻尼器在大跨桥梁减隔震设计中的应用

一般情况下，铁路连续梁在一联梁中仅设1个固定墩，由其独自承受全联的纵向水平地震力，故全联的抗震能力完全由固定墩决定；为抵抗地震产生的巨大水平力，固定墩的体量远大于其他桥墩，随着上部结构质量的增加，这种情况将更为明显，将使固定墩很难满足设计要求，尤其对长联大跨连续结构；因而可有效提高桥梁整体抗震能力的减隔震[1]措施越来越得到人们的重视，目前工程上应用较广的方法就是在滑动墩设置黏滞阻尼器[2，3]，地震时滑动墩和制动墩共同承担水平地震力，进而提高桥梁的整体抗震能力，而在正常条件下温度等变形却不受约束。其中，较为成熟且适用于大跨度桥梁的减隔震措施主要是设置液体黏滞阻尼器。液体黏滞阻尼器的基本构造由活塞、缸体、流体和节流孔组成。缸内充满硅油或其他黏滞流体，活塞在缸体内可做往复运动，活塞上有节流孔。所谓节流孔是指具有比油缸截面积小的流通通路。这类装置是利用活塞前后压力差使硅油流过节流孔产生阻尼力，典型的液体黏滞阻尼器构造如图2～图4所示。

图2　液体黏滞阻尼器基本构造

图3　江阴大桥黏滞阻尼器

图4　台湾高速铁路C-270段黏滞阻尼器

3阻尼器参数选择及有限元模型

3.1　阻尼器设置概况

黄大线黄河特大桥主桥(120+4×180+120) m连续钢桁梁分别在115、116、118、119号活动墩顶设置4组黏滞阻尼器，每组设置4个阻尼器，分设于桥墩两侧主桁下，总共16个阻尼器。阻尼器一端固定在桥墩上，另一端固定在主桁下弦的底板，具体连接方式见图5。115号墩与节点E12连接，116号墩与E30节点连接，118号墩与节点E56连接，119号墩与节点E72连接，其中节点E12与E72，E30与E56分别沿连续钢桁梁中心对称。

图5　阻尼器连接示意

3.2　黏滞阻尼器的参数[4，5]

(1)阻尼器的额定阻尼力

黏滞阻尼器的阻尼力满足以下方程

其中，F为阻尼力；C为阻尼系数；V为荷载的作用速率；α为指数[6]。

本桥所用的阻尼器额定阻尼力F=2 000 kN，C=2 500，α=0.5，达到额定阻尼力时的速度V=0.64 m/s。

(2)阻尼器的冲程位移

阻尼器的位移应包括温度和地震作用下的位移，考虑到地震和温度同时发生的概率较小，因此阻尼器的设计位移量按以下公式计算

Δ=1.5Δe+0.5Δt=208.4mm

其中，地震引起的位移Δe按照欧洲规范应在计算值的基础上乘以1.5的放大系数；温度变化的位移按照设计规范进行设计。最大冲程位移取±250mm。

3.3　有限元模型及参数选取

本桥采用MIDAS/Civil2012建立该桥的空间有限元模型(图6)，采用动力时程分析方法[7]计算，主桥钢桁梁各杆件、桥墩均采用梁单元模拟，基础按等效弹簧刚度换算为墩底节点弹性支承处理。全桥共计1 201个节点，2 906个单元。本工程项目进行了场地地震效应评价，自地震效应评价报告中选取3条地震波[8]作为计算输入，活动墩墩顶液体黏滞阻尼器采用黏弹性消能器中Maxwell模型模拟，如图7所示，为线性弹簧与阻尼器串联的模型，适用于流动黏弹性装置。

图6　黄河特大桥主桥空间有限元模型

图7　Maxwell模型的力-变形关系及简图

Maxwell模型[9]的力-变形关系式如下

式中，消能器阻尼(Cd)取5 000 kN(m/s)；参考速度(VO)取1.0 m/s；阻尼指数(s)决定黏弹性消能器的非线性特性的常数(黏弹性阻尼力作用方向与位移速度的方向相反，并为速度绝对值的三次方成正比)， 非线性阻尼指数取0.5；连接弹簧刚度(kb)为将消能器与结构连接起来的弹簧的刚度，其值取6×107kN。

4动力分析结果

本次设计针对主桥分别按设置黏滞阻尼器和无阻尼器的情况进行了设计比选，固定墩采用117号墩，活动墩采用控制计算的116号桥墩，比较结果详见表1、表2。

表1　纵向地震力作用下墩底内力及桩顶外力

表2　纵向地震力作用下墩身及基础检算结果

经计算，横向地震力并不控制下部结构设计，主墩由纵向地震力控制[10]。在不设减隔震措施的情况下，本桥主墩需采用30根φ1.8 m的桩基础，桩基需采用

2.99%[11]的配筋率，也就是说采用φ32 mm的HRB400钢筋，2根1束，需在桩基础内配置2圈；较常规仅在桩基内配置1圈钢筋的情况将增加钢筋定位、混凝土施工的难度，也使得施工质量控制难度加大。在不设减隔震措施的情况下，只能通过增加结构尺寸的方式来抵抗地震力，但随着结构尺寸增加，基础刚度也将增大，而刚度增加使地震力随之增大，因而导致结构尺寸增加，而抗震性能提高有限甚至出现相反的效果。经过计算分析也证实，在增加桩基根数的情况下配筋情况改善并不明显。

若采用在活动墩设置液体黏滞阻尼器的方式，在不增加活动墩工程措施的情况下，主墩水平力将大幅下降，除桥墩纵向尺寸由7.5 m降为6.0 m、桩基由30φ1.8 m减为24φ1.8 m外，桩基钢筋也仅需布设φ28 mm的HRB400钢筋，2根1束布设1圈即可，施工与常规桩基础工程一致。且桩基长度也由90 m缩短为78 m，施工条件大为改善。

在采用液体黏滞阻尼器后，固定墩的水平力及承台底弯矩大幅降低，活动墩的水平力及弯矩有所增加，从而在主墩下部结构工程量减小的基础上，仅需适当增加活动墩下部结构的钢筋量即可满足结构的抗震性能；设置阻尼器后下部结构可减少投资542万元，基本与阻尼器价格相当；考虑到阻尼装置对本桥整体抗震性能的提升作用，本次设计推荐主桥连续钢桁梁分别在主桥活动墩顶设置4组液体黏滞阻尼器，每组设置4个阻尼器的抗震设计方案。采用黏滞阻尼器对结构自振周期影响甚小，这与黏滞阻尼器的减震实质一致[12]。采用阻尼器与无阻尼器的抗震设计方案自振特性对比见表3。

表3　主桥前5阶振型特点及自振周期

5结语

在罕遇地震条件下，传统的结构抗震设计方法是依靠增加结构构件的尺寸、配筋从而提高结构自身的强度、变形能力来满足抗震要求，而一旦发生超出设计地震烈度的强烈地震，结构几乎会不可避免地将产生严重的损伤和破坏。因此，传统的铁路桥梁抗震设计方法存在许多严重弊端，应当引入减隔震设计方法，黄河特大桥主桥采用阻尼器减隔震措施后，可大大减少传递到下部结构的地震力和能量，提高结构的抗震性能，增强铁路桥梁抵御地震灾害的能力。

参考文献：

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Research on Seismic Pattern of Long Span Continuous Steel Truss

LI Jin-ming

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

Abstract：With reference to the practical engineering of Yellow River main bridge (120+4×180+180) m on Huang～Da Railway of concrete-filled continuous steel truss beam structure， this paper studies the influence of the nonlinear viscous damper on anti-seismic performance. A space finite element model is built with Midas/civil and three seismic waves suitable for site grade and seismic characteristics of bridge site are selected to study the anti-seismic effect of the fluid viscous damper device installed or not installed between the non-fixed pier and the main beam with nonlinear time history analysis. By setting up fluid viscous damper between the non-fixed pier and the main girder， the non-fixed pier is effectively coordinated under the dynamic action， the seismic force of the fixed pier is reduced and the seismic fortification standard of the main bridge is effectively improved.

Key words：Railway bridge; Steel truss girder; Seismic Isolation; Damper

作者简介：李金铭(1981—)，男，工程师，2005年毕业于西南交通大学，

收稿日期：2015-06-15； 修回日期：2015-06-30

中图分类号：U442.5+5

文献标识码：ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.01.012

文章编号：1004-2954(2016)01-0055-04