大跨度跨海斜拉桥抗震装置研究

王兹刚

(广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东 广州 510507)



大跨度跨海斜拉桥抗震装置研究

王兹刚

(广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东 广州 510507)

大跨度跨海斜拉桥的基础多采用高桩承台形式，承台尺寸较大且桩基础自由桩长较长，给桥梁结构的抗震设计带来较大挑战。以通明海特大桥主桥为工程实例，分析研究几种不同的抗震设计装置，为大跨度跨海斜拉桥的抗震设计提供新的思路和方法。

大跨度；斜拉桥；高桩承台；抗震装置

大跨度跨海斜拉桥的基础形式多采用高桩承台钻孔灌注桩，承台尺寸较大；由于主跨跨越主航道处水深一般较深，并且要考虑长期冲刷对河床的影响，桩基础自由桩长往往较长；海洋环境风速较大，结构设计时要兼顾抗风、抗震要求[1]。因此，除需在概念设计中采用抗震性能较好的结构形式外[2]，往往还需设置必要的减隔震装置[3]。

桥梁常用减隔震装置主要有橡胶支座、铅芯橡胶支座、摩擦摆支座、钢滞回阻尼器及液压阻尼器等[4]。而对于斜拉桥，常用装置主要有粘滞阻尼器[5-7]、铅芯橡胶支座[8]、弹性连接装置[7]及双曲面球形减隔震支座[9]等。本文以通明海特大桥主桥为研究基础，提出几种不同的抗震设计方案，并进行对比分析，最终采用经济、安全、耐久、可靠的抗震方案。

1 工程背景

通明海特大桥跨越湛江东海岛通明海域，该处场地特征周期在重现期2000年时达到1.1 s；考虑一般冲刷后，主桥主塔处桩基的自由长度达到30 m，因此，对抗震提出较高要求。为了达到安全、经济的目的，需对结构进行减隔震设计。

桥梁中常用的阻尼器有速度相关型和位移相关型2种，速度相关型如粘滞阻尼器，位移相关型如钢阻尼器[10]。方案设计阶段尝试几种不同的减隔震装置，主要有双曲面球形减隔震支座、粘滞阻尼及钢阻尼等，对各种装置的减隔震效果进行对比分析。

1.1 结构布置

通明海特大桥主桥跨径布置为146 m+338 m+146 m，采用双塔双索面组合梁斜拉桥结构形式，结构体系采用半漂浮体系。塔梁间及过渡墩处分别设置2个单向支座，横向约束，纵向可自由活动。桥梁结构布置及各构件尺寸如图1～图3所示。

图1 桥型布置图

图2 主梁横断面图

图3 主塔结构图

1.2 地震动

根据《安评报告》，E1及E2下(即重现期分别为475年及2000年)水平加速度反应谱公式为

(1)

水平加速度反应谱参数见表1所列；反应谱曲线如图4所示。

表1 加速度反应谱参数

图4 加速度反应谱曲线

地震动输入采用重现期为2 000 a的7条人工地震波，该7条波与重现期为2 000 a的加速度反应谱对应,结构地震反应(内力、变形和位移)取7条人工波地震反应最大值的平均值。

1.3 有限元模型

采用有限元分析软件Sap 2000 建立动力分析计算模型，主梁、桥墩及桥塔均采用梁单元进行模拟。减隔震装置C型钢阻尼及双曲面支座采用Plastic(Wen)单元模拟，粘滞阻尼采用Damper单元模拟。主梁节点和斜拉索吊点以及桥塔与拉索锚固区用主从关系模拟；承台近似刚体进行模拟，质量堆积在承台质心；在承台底采用6个方向的弹簧对桩基础进行模拟。由于引桥对主桥的抗震性能有较大影响[11]，模型中同时建立两端各一联引桥。

2 纵向减隔震装置

结构采用半漂浮体系，过渡墩支座及主塔支座纵向均无约束。为了降低结构在纵向地震作用下的内力及位移，塔梁间采用2种减隔震方法，即纵向粘滞阻尼和纵向钢阻尼进行分析，并与纵向不采用减隔震装置进行对比。粘滞阻尼器方案为1个塔梁间设置4个粘滞阻尼器，阻尼系数为3 000 kN/(m/s)0.4，阻尼指数为0.4。钢阻尼方案为1个塔梁间设置2个C型钢阻尼器，屈服力为4 000 kN。3种设计方案对比如图5所示。

图5 纵向地震下反应内力及梁端位移

根据以上分析结果，纵向地震作用下，不采用减隔震装置时，结构内力及梁端纵向位移均较大，尤其是梁端位移。采用钢阻尼或粘滞阻尼均取得良好的减隔震效果。在给定参数下，粘滞阻尼效果优于钢阻尼。粘滞阻尼对斜拉桥地震下的位移有较好控制效果[12]，本桥塔梁间的纵向减隔震装置最终采用粘滞阻尼方案。

3 横向减隔震装置

3种减隔震方案对比如图6所示。

图6 横向地震下反应内力及支座变形

过渡墩支座及主塔支座横向均约束，塔梁间减隔震设计选取双曲面支座、横向钢阻尼、横向粘滞阻尼3种方案进行对比分析。同样，粘滞阻尼器方案为1个塔梁间设置4个粘滞阻尼器，阻尼系数为3 000 kN/(m/s)0.4，阻尼指数为0.4。钢阻尼方案为1个塔梁间设置2个C型钢阻尼器，屈服力为4 000 kN。双曲面球形减隔震支座方案为1个塔梁间设置2个双曲面支座代替单向支座，双曲面支座摩擦系数为0.02，曲面半径为5 m。通过3种方案对比看出，双曲面支座难以取得理想的减隔震效果，在地震作用下支座变形较大，而又没有有效降低地震内力。钢阻尼或粘滞阻尼均取得良好的减隔震效果，在给定参数下，钢阻尼的效果优于粘滞阻尼。本桥塔梁间横向减隔震装置最终采用钢阻尼方案。

4 钢阻尼减隔震装置参数分析

为了进一步优化横向钢阻尼装置的减隔震效果，在钢阻尼屈服前刚度、屈服后刚度不改变的情况下，分析屈服力对减隔震效果的影响。分别选择2 500 kN、4 000 kN和8 000 kN屈服力进行计算对比。参数分析结果如图7所示。

图7 不同阻尼地震下反应内力及支座变形

由图7可知，3种不同屈服力情况下，当屈服力不大时，随着屈服力的增加，地震内力有减小的趋势，但是并不明显；支座变形则随着屈服力的增大显著降低。因此，鉴于屈服力越大，则装置尺寸越大，不利于结构设计安装，本桥横向钢阻尼屈服力最终选取4 000 kN。

5 结 论

(1) 纵向地震作用下，采用钢阻尼或粘滞阻尼均能取得良好的减隔震效果。经对比分析，本桥采用粘滞阻尼方案。

(2) 横向减隔震方案中，双曲面支座难以取得理想的减隔震效果，钢阻尼或粘滞阻尼均取得良好的减隔震效果。在既定参数下，钢阻尼的效果优于粘滞阻尼，本桥采用钢阻尼方案。

(3) 通过对钢阻尼器的参数分析，当屈服力不大时，随着屈服力的增加，地震内力有减小的趋势，然而并不明显,支座变形则随着屈服力的增大显著降低。

[1] 刘士林,王似舜.斜拉桥设计[M].北京：人民交通出版社,2006.

[2] 闫 东,袁万城.大跨度斜拉桥的抗震概念设计[J].同济大学学报(自然科学版),2004,32(10):1345～1348.

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[6] 王天亮.液压阻尼装置在斜拉桥抗震设计中的应用研究[J].桥梁建设,2009(S2):72～77.

[7] 高 永,刘慈军,彭天波,等.阻尼器和弹性索组合使用对大跨斜拉桥地震反应的影响[J].结构工程师,2008,24(5):71～76.

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[10] 杨喜文,张文华,李建中.大跨度斜拉桥横桥向减震研究[J].地震工程与工程振动,2012,32(1):86～92.

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2016-05-27；修改日期：2016-05-31

王兹刚(1985-)，男，山东巨野人，广东省交通规划设计研究院股份有限公司工程师．

U448.27；U442.55

A

1673-5781(2016)03-0358-03