铁路刚架系杆拱-连续箱梁组合桥地震响应分析

郭 飞

(广铁佛山西站工程建设指挥部，广东广州528225)

拱桥是我国铁路桥梁中常用的桥型之一。我国是一个多地震国家，抗震防灾工作正日益受到重视。拱桥主拱圈在强烈地震作用下，不仅在拱平面内受弯，而且还在拱平面外受扭，当地基由于强烈地震产生不均匀沉降时，主拱圈还会发生斜向扭转和斜向剪切，因此，拱桥主拱圈通常作为桥梁抗震薄弱构件，其抗震设计不宜过分依赖于延性设计，而应该采取适当的减隔震措施。

目前，半漂浮、全漂浮等隔震体系的采用以及在大跨度桥梁的塔(墩)、梁之间设置减震装置以减小结构地震响应已成为一种较成熟的减震控制手段，且报道了大量相关研究[2-8]。其中，张俊平系统论述了桥梁结构振动控制的发展，指出了桥梁桥梁结构振动控制的特点和存在的问题[2]；龚一琼在对桥梁减隔震原理进行分析的基础上，依据连续梁桥在地震作用时受力的特点，对连续桥梁的固定支座进行了减隔震设计[3]。研究表明，减隔震措施的采用可大大降低结构地震响应。然而，对于拱桥而言，由于主拱脚具有较大的推力，一般都嵌岩处理，无法采用隔震支承来减少地面运动的输入。因此，针对拱桥减隔震的相关研究有待进一步加强。

本文基于结构减隔震机理，以某跨度(24+160+24)m的刚架系杆拱连续箱梁组合桥为工程背景，对比分析了减隔震措施采用前后桥梁结构的地震响应，并对减震装置(粘滞阻尼器)参数进行了合理参数选取，为拱桥抗震设计提供参考。

1 计算理论

1.1 减隔震机理

桥梁结构减隔震主要是通过改善桥梁的约束形式以改变桥梁振动的动力特性，即通过增大结构的阻尼、延长振动周期等来达到减振的目的。

地震动的卓越周期一般在0.1～1 s之间，所以自振周期在0.1～1 s之间的结构的地震响应在地震时由于共振而被大幅度放大。当结构自振周期变大时，可以避开地震动中幅值显著的分量，从而避免了共振和类共振现象的发生，减小结构的地震加速度反应，但结构周期增大时，如果阻尼不变，则结构的位移响应将增大，因此，为控制结构的位移响应，在增大结构周期的同时，应增大结构的阻尼。

1.2 粘滞阻尼器工作原理

粘滞阻尼器的基本构造由活塞、油缸及节流孔组成，这类装置是利用活塞前后压力差使油流过节流孔产生阻尼力，阻尼力与相对变形的速度关系可表达为式(1)。

F=CVα

(1)

式中：F为阻尼力，C是阻尼系数，V是速度，α是阻尼指数。

对于粘滞阻尼器的模拟，本文采用Maxwell模型，其力-变形关系见式(2)，模型示意图见图1。

(2)

式中:cd为阻尼系数；v0为参考速度(一般取1.0)；kb为连接弹簧刚度。

图1 Maxwell模型示意

2 计算条件

以贵广线某(24+160+24)m刚架系杆拱连续箱梁组合桥为工程背景。主梁采用单箱三室扁平钢箱梁，梁高3.706 m，主跨桥面宽26 m，边跨桥面宽25 m；拱肋采用钢管混凝土结构，计算跨度L=160.0 m，矢高f=40.0 m；横撑采用桁式空钢管截面；吊杆顺桥向间距8 m，横向吊杆间距24.2 m，采用顺桥向双吊杆体系，全桥共设17组吊杆；每侧设6束61孔单根张拉可换索式钢绞线系杆。支座布置形式为18号主墩支座纵桥向固定，17号主墩以及边墩支座纵桥向活动。拱桥Midas模型见图2。

图2 拱桥Midas模型(单位：m)

本桥桥址区场地类别属Ⅱ类，设计地震分组为1组，抗震设防烈度为7度，设计特征周期0.35 s，峰值加速度0.1g，罕遇地震水平地震基本加速度a为0.21g。根据桥址区基本地震动参数拟合人工地震波，调整地震波加速度幅值等于0.21g作为罕遇地震等级的输入地震波，见图3。

图3 输入地震波

桥梁阻尼采用瑞利阻尼模式，结构阻尼比取5%[9]；粘滞阻尼器阻尼系数C取值2 000～10 000 kN/(m/s)α；从桥梁抗震角度看，阻尼指数α常用值一般在0.2～1.0范围内[5]。

3 算例

跨径(24+160+24)m的刚架系杆拱连续箱梁组合桥原结构体系为拱墩固结、主梁约束形式等同连续梁，其中，18号主墩为固定墩，17号主墩以及边墩均为活动墩。为提高此桥梁抗震能力，采用减隔震体系(释放18号主墩支座纵桥向约束使主梁纵桥向半漂浮，同时设置粘滞阻尼器减震装置)，减震装置全桥对称布置，即在17、18号主墩墩顶设置粘滞阻尼器。

3.1 粘滞阻尼器参数分析

考察粘滞阻尼器系数C和粘滞阻尼指数α的取值对拱桥的受力、变形的影响。图4给出了拱桥拱肋内力、主梁梁端位移随阻尼参数的变化规律，并与未设置减震装置的隔震体系响应作对比。

(a)阻尼参数对拱桥轴力的影响

(b)阻尼参数对拱脚弯矩的影响

(c)阻尼参数对梁端位移的影响图4 阻尼参数对拱桥内力、位移的影响

由图4可知，拱桥拱肋内力、主梁梁端位移对阻尼参数的变化较敏感，且变化规律性有一定差异。当阻尼指数α一定时，随阻尼系数C的增大，拱肋拱脚轴力、主梁梁端位移显著降低。而对于拱脚纵桥向弯矩，当α取值0.2～0.4时，弯矩值随阻尼系数C的变化较敏感，且随着C的增大，拱脚截面弯矩值也增大，并超过了未设置阻尼器时的拱脚截面弯矩值。当α取值0.6～1.0时，弯矩值随阻尼系数C的变化较不敏感，弯矩值控制于21 000 kN·m以下；对未设置减震装置的隔震体系桥梁进行应力计算分析知，地震波作用下拱肋弯曲应力为轴向应力的2～3倍，故弯矩作为减震参数选择的主要控制内力。综合考虑结构内力、位移响应规律，可以认为阻尼系数C取值6 000 kN/(m/s)α，阻尼指数α取值0.6对结构较合理。

3.2 地震响应对比

将减隔震体系桥梁(减震装置按3.1节参数选取)的地震响应与原结构体系进行对比。图5给出了减隔震体系与原体系拱桥拱肋内力、主梁梁端位移时程，表1给出了减隔震体系与原体系拱桥拱肋内力、主梁梁端位移峰值。

图5、表1可知，减隔震体系的采用可有效降低结构的内力响应并控制梁端位移。其中，相比原结构体系，轴力响应降低17 %～64 %，弯矩降低20 %～53 %，梁端位移控制在36 mm以下；对于原结构体系桥梁，由于主梁约束形式不对称，致使拱肋受力不均，拱脚两侧受力差异较大，减隔震体系的采用，可有效降低其差异性。其中，拱脚轴力响应差异量降低15 %，拱脚弯矩响应差异量降低10 %。

4 结论

(1)拱桥拱肋内力、梁端位移对阻尼系数C、阻尼指数α较敏感，合理选取阻尼参数，可有效降低结构内力、位移响应。综合考虑结构内力、位移响应规律，可以认为阻尼系数C取值6 000 kN/(m/s)α，阻尼指数α取值0.6对结构抗震较有利。

(2)减隔震体系的采用可有效降低结构的内力响应并控制梁端位移，提高拱桥的抗震能力。其中，相比原结构体系，轴力响应降低17%～64%，弯矩降低20%～53%，梁端位移控制在36 mm以下。

(3)减隔震体系的采用，可促使拱肋两侧受力趋于均匀。其中，拱脚轴力响应差异量降低15 %，拱脚弯矩响应差异量降低10 %。

[1] 范立础. 桥梁抗震[M]. 上海：同济大学出版社, 1997

[2] 张俊平，李新平，周福霖. 桥梁结构振动控制发展及存在的问题[J].世界地震工程, 1998, 14(2): 9-16

[3] 龚一琼，胡勃. 连续梁桥的减隔震设计[J]. 同济大学学报, 2001, 29(1): 94-98

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