设置VFD的大跨度钢梁拱组合桥减震分析

■黄玮（1.福建省建筑科学研究院；2.福建省绿色建筑技术重点实验室，福州350025）



设置VFD的大跨度钢梁拱组合桥减震分析

■黄玮1，2
（1.福建省建筑科学研究院；2.福建省绿色建筑技术重点实验室，福州350025）

为研究VFD对桥梁结构的减震效果，本文以一大跨度钢梁拱组合桥为研究对象，分析了其动力特性，并得到环境振动试验验证，进而对E1和E2两阶段地震作用下，桥梁的弹塑性地震响应进行了计算，分析结果表明，该桥设置粘滞阻尼器后对墩底内力和墩顶位移都起到良好的减震效果，使桥梁能较好满足预期的设计需要。

大跨度钢梁拱组合桥抗震性能动载试验VFD减震

1工程概况

抗震性能研究对桥梁工程的发展有着相当的重要性［1～3］。福建地处环太平洋火山地震带，属国内地震多发地区之一，本文对福建一座大跨度钢梁拱组合桥进行了弹塑性有限元抗震分析。该桥主桥为上承式钢梁拱组合桥梁，详见图1。桥跨布置为50＋160＋50＝260m。

上部结构双幅分离，两幅桥间距1m，单幅桥宽为17.75m，全桥总宽度为36.5m。中跨拱肋拱轴线矢高为10m，矢跨比为1/16，边跨拱肋拱轴线矢高为1m，矢跨比为1/50。

下部结构采用钻孔桩基础，为混凝土结构。上部结构与下部结构之间采用竖向支座相连，单幅桥约束主3号墩两个支座的纵桥向位移，及每个墩的内侧支座的横桥向位移。为防止过渡墩支座出现脱空，过渡墩支座采用拉压球型支座。同时，为了改善结构的抗震性能，主桥设置了减震措施，采用了粘滞阻尼器。

设计荷载：汽车荷载为公路-I级，参考城市-A级。人群荷载按3.5kN/m2计入，人行道宽度取5.5m。

主墩及其基础为双幅桥整体结构，由墩身、墩座、立柱、承台和桩基等构造组成。

主墩墩身为纵桥向宽4.5m的等宽墩身，横桥向宽37.0m，墩身顶面高程为7.7m。墩身采用C40混凝土。主墩墩座纵桥向的横断面形状为小半圆形，横桥向端头为球面，圆形表面及球面的半径均为5.375m，墩座外形的延伸虚拟顶点高程为5m。墩座采用C40混凝土。

主墩承台为带圆头的矩形承台。承台长度为57.95m，宽度为12.7m，承台圆头的直径即为承台宽度12.7m，承台厚3.5m。承台采用C35混凝土。

图1　上承式梁拱组合钢桥

每个主墩基础采用28根变截面钻孔灌注桩，桩底直径为2.0m，桩顶直径为2.2m。桩基按嵌岩桩设计，采用C35水下混凝土。桩基钢护筒内径为2.2m，壁厚为25mm，采用Q345C钢。钢管与混凝土共同参与受力，为了保证其协调受力性能，在钢管内壁焊接凸起的剪力板，同时，在桩头设置预埋钢筋与钢管焊接。为保证钢护筒的耐久性，需对钢护筒进行防腐处理。

2动力特性分析

动力特性分析是桥梁抗震分析的基础。本文采用完整二次项振型组合法（CQC），可考虑结果振型分布密集时的耦联作用。前20阶振型参与质量达到99%，满足《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）所规定的大于90%。

为验证模型的可靠性，进行了动载试验测试该桥的自振特性。在行车道边缘布置加速度传感器，测点布置详见图2。利用桥梁结构在各种随机环境激励（包括日常随机车辆、行人、天然风、水流、地脉动等组合）下引起的振动响应，采集响应的加速度信号。本次试验采样频率为100Hz，采样时间为20min。

实测振动响应信号经试验模态分析，得到桥梁的竖向基频，见表1及图3～图4。桥梁环境振动测试结果表明，实测基频为1.76Hz，理论基频1.64Hz，桥梁实测竖向一阶振动振型与有限元理论计算结果基本吻合，模型计算结果合理可靠。

图2　测点布置图

表1　自振频率实测和理论值汇总表

图3　实测竖向一阶振型图

图4　理论竖向一阶振型图

3减震性能分析

该地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，按《中国地震动反应谱特征周期区划图》［5］查的场地特征周期为：0.45s。场地类别为II类场地。单跨跨度超过150m应按9度构造措施设防。

本文分别采用反应谱方法和时程分析法对桥梁E1 和E2地震作用下的响应进行计算，两者相互校验。采用时程分析方法时，根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2011）［6］，由Midas地震波数据库中，地震波的频谱特性、有效峰值和持续时间三要素选取了两条实录波和一条人造波输入，并取最大地震响应进行验算。时程分析中，恒载采用非线性静力法分析；地震作用采用非线性直接积分法分析。

E1地震作用下构件处于弹性状态，强度满足设计要求。E2地震作用下，设置粘滞阻尼器后，地震时程对比图详见图5～图6及表2～表3，墩底弯矩最大降低54.4%，墩底剪力最大降低45.28%；墩顶位移纵向最大降低41.44%，横向最大降低11.11%。

通过对比，在E1和E2地震作用下，时程分析法中墩顶截面内力、桩顶截面内力、支座反力、墩顶位移和支座位移相互校核，误差均在20%的容许范围之内，且满足限值要求。

图5　墩底弯矩地震时程图

图6　墩顶位移地震时程图

表2　墩底内力减震对比表

表3　墩顶位移减震对比表

4结论

本文采用Midas软件，对福建地区某大跨钢梁拱组合桥进行了动力性能分析，并与动载试验结果相互验证。分析结果表明，设置粘滞阻尼器后，最大可减低54%墩底内力，41%墩顶位移，减震效果良好。在E1地震作用下，全桥构件满足强度设计要求；在E2地震作用下，能力保护构件亦满足规范要求。该桥具有足够的抗震能力，能较好满足预期的设计需要。

［1］何波，朱宏平，等.大跨薄壁墩连续钢构桥抗震性能分析［J］.华中科技大学学报（城市科学版），2006.

［2］李林.罕遇地震下空心薄壁高墩大跨T形刚构桥弹塑性地震反应分析［J］.地震工程学报，2013.

［3］张玉娥，白宝鸿，向敏.罕遇地震联系梁桥抗震性能分析［J］.振动与冲击，2009.

［4］中华人民共和国住房和城乡建设部.CJJ166-2011，城市桥梁抗震设计规范［S］.北京：中国建筑出版社，2011.

［5］中国地震局.GB18306-2001，中国地震动参数区规划图［S］.中国标准出版社，2001.

［6］中国建筑科学研究院.GB50011-2011，建筑抗震设计规范［S］.中国建筑出版社，2010.