横向减震体系作用下斜拉桥的地震反应分析

独塔双索面铁路斜拉桥抗震性能分析

近些年，随着桥梁设计和建造水平的提高，桥梁不断向轻型大跨方向发展。由于地震作用对桥梁安全性产生重大影响，因此需采取必要措施和技术提高桥梁结构的抗震性能。一般来说，传统意义上人们采用增大结构强度和刚度的方法来提高结构的整体性和抗震能力，但这种方法不能真正起到耗能的作用且在一定程度上不符合安全经济的要求[1~2]。在实际的桥梁工程中，通常采用更加合理的减震技术达到耗能减震的目的，常用的减震方法主要有三种：基础隔震、耗能减震和被动调谐减震[3]。

本文以穗盐特大铁路斜拉桥为例，对其安装E型钢阻尼支座和横向约束作用的减震体系结构抗震性能进行分析，并与无减震支座体系作用下的反应比较，讨论和分析减震措施的有效性。

1工程概况

穗盐路特大铁路斜拉桥是新建铁路贵阳至广州线上引入广州枢纽工程的一座四线铁路桥，即为引入新广州站客运专线场的四线客运专线桥，该桥处于R=1150m的曲线区段。该桥为四线铁路独塔双索面钢箱弯斜拉桥，其跨径分布为：32.6m+175m+175m+32.6m,桥宽24m（见图1）。该独塔斜拉桥设有一辅助墩，主梁与桥塔的连接处采用固结方式，主桥结构约束体系为：边墩设置两个纵向活动E型钢抗震阻尼支座，一个横向约束销钉；辅助墩设置三个双向活动支座，两个横向约束销钉。主塔、辅助墩和边墩下均为桩基础。主梁断面有钢箱梁和混凝土箱梁两种，两辅助墩之间采用钢箱梁，辅助墩与边墩之间则为混凝土箱梁。穗盐路铁路斜拉桥桥址所处地区的地震基本烈度为7度，峰值加速度为0.1g，特征周期为0.35s，场地类别为II类[4]。

图1 主桥总体布置图

穗盐路斜拉桥工程是一个大型的桥梁工程，投资很大，在政治经济上具有非常重要的地位，一旦遭到地震破坏，可能导致的生命财产以及间接经济损失将会非常巨大。因此，进行正确的抗震研究，确保其抗震安全性具有非常重要的意义。

2抗震设防标准和地震动输入

2.1抗震设防标准

确定工程的抗震设防标准需要在经济与安全之间进行合理平衡，这是桥梁抗震设防的合理原则。根据前期研究结果，穗盐路特大铁路斜拉桥采用100年10％（地震水平I，简称P1概率）和100年4％（地震水平II，简称P2概率）两种超越概率地震动进行抗震设防。具体性能目标可参见表1

表1 设防标准与相应的性能目标

2.2地震动输入

根据中国地震局地壳应力研究所提供的《贵广铁路贺州至广州段重点工程场地地震安全性评价报告》，得到100 年超越概率10%、4%两个概率水平的场址地表水平向加速度峰值

A、地震动反应谱特征周期g T等参数如下表2。

m

表2 场地设计地震动水平向峰值加速度及加速度反应谱（5％阻尼比）参数值

表的场地设计地震动水平向峰值加速度(

A)及加速度反应谱参数值。竖向设计地震动参数

m

按相应的水平地震动的2/3取值。

在进行地震反应分析时，采用100年10％和100年4％的超越概率，阻尼比为5％的场地反应谱输入，如图2所示。考虑到斜拉桥作为柔性结构（阻尼比通常取3%），具体计算时，对反应谱进行阻尼调整，阻尼调整系数

C应按下式取

d

值：

0.0510.550.06 1.7d C ζζ

-=+

≥+，

地震输入采用两种方式：1）纵向＋竖向；2）横向＋竖向，取前500阶阵型，按CQC 法进行组合，计算表达式为：

2

/111

)

(∑∑===m

j k j m

k jk

s s s ρ

式中，S 为地震作用效应，s j 和s k 分别为第j 和第k 模态地震作用效应，ρjk 为第j 和第k 模态的相关系数。

图2 动力放大系数反应谱曲线

在进行时程分析时，地震动输入分别采用100年超越概率为10％和100年超越概率为4％的场地水平加速度时程，时程由相应的反应谱生成。时程分析的计算公式为：

)(.

..

t F X K X C X M =++

根据两水平反应谱曲线分别生成7条水平加速度时程曲线，图2给出一条P2概率的水平向地震时程曲线。由于E 型钢阻尼支座和横向约束销钉只对主梁的横桥向进行了约束，所以在这里仅考虑横向+竖向的地震激励，其中竖向时程波取相应的水平向时程波的2/3。

图2 100年超越概率4%时程曲线样本1 3 动力计算模型的建立

跨穗盐路斜拉桥结构动力特性分析采用离散结构的有限单元方法，有限元计算模型以顺桥向为X 轴，横桥向为Y 轴，竖向为Z 轴。其中主塔、主梁和桥墩均离散为空间的梁单元，其中主梁采用单梁式力学模型，斜拉索采用空间桁架单元。承台模拟为质点，并且承台、塔底和桩基顶部节点采用主从连接。主塔、辅助墩、边墩的桩基础采用集中一个66⨯土弹簧模型来对桩土共同作用进行模拟。模型中各部分约束条件详见表3。

表3 模型的边界和连接条件

注：表中x 为纵桥向，y 为横桥向，z 为竖向；0表示自由，1表示主从或固结，S 表示弹簧约束。

4 安装减震支座体系的动力特性分析

根据建立的动力计算模型，进行了结构动力特性分析。表4列出了主桥前15阶振型及频率和相应的振形特征。

表4 主桥基本动力特性

为对斜拉桥的减震措施的有效性进行评价，针对于采用减震支座体系的桥梁结构，需建立主桥结构的三维空间动力分析模型。桥梁分析中的非线性因素主要包括：横向约束销钉、E 型钢阻尼支座和桩—土共同作用。其动力分析的结果要与无减震体系的普通支座（辅助墩为双向活动支座，边墩为横向固定、纵向活动的单向支座）的线性分析结果进行比较，并分析其减震效果。 4.1 E 型阻尼支座和横向剪力销钉的设计参数

根据穗盐路特大铁路斜拉桥的抗震性能研究报告，采用的E 型横向钢阻尼支座的型号为竖向承载力15000kN ，屈服强度580kN ，屈服位移10mm ，极限位移110mm 。边墩上的横向约束销钉屈服强度为3500kN ，纵向位移量为200mm ；辅助墩上的横向约束销钉屈服强度为4000kN ，纵向位移量为200mm [5~6]。 4.2剪力销钉和E 型阻尼支座共同作用下的减震效果分析

以下从索塔、墩各关键截面的地震内力以及单桩最不利受力来比较两种体系的动力响应水平，即采用E 型钢阻尼支座和设置横向约束销钉的减隔震体系与普通支座体系（辅助墩为双向活动支座，边墩为横向固定、纵向活动的单向支座）。剪力销钉与E 型钢阻尼支座共同发挥作用。

图3所示的主塔受力的控制截面，以下各表格中所列出的截面位置即如图中所示。此外，以下各表中所给出的各控制截面内力均为地震作用引起的内力反应。

3 # 6 #

4 #

5 # 1 #

2 #

7 #