陈作银 陈佳 北京国道通公路设计院有限公司 北京建达路桥咨询有限公司
摘要：针对中跨斜拉桥横向地震力过大的问题，以可克达拉特桥主桥为研究对象，研究不同隔震方式的工作机理，探究桥塔横向地震应力状态。 、过渡墩、辅助墩在此类斜拉桥横向隔震措施下所受的横向地震力。分析表明，当桥塔、过渡墩、辅助墩采取隔震措施时，可大大减小横向地震力。同时，随着异型钢阻尼器水平屈服刚度的逐渐增大，桥塔、过渡墩和辅墩的横向地震力逐渐增大，主梁横向相对位移逐渐减小；当主梁在桥塔处进行侧向限制，并对过渡墩和辅助墩采取隔震措施时，过渡墩和辅助墩处的侧向地震力大大减小，但桥塔处的侧向地震力同时，随着异型钢阻尼器水平屈服刚度的逐渐增大，过渡墩、辅墩处的横向地震力逐渐增大，桥塔处的横向地震力逐渐减小。
关键词：隔震；异型钢阻尼器；横向地震力；主梁横向相对位移；
1 项目概况
可克达拉特大桥位于新疆伊犁州可克达拉市境内，是可克达拉市拟建的南北交通通道，可克达拉特大桥横跨伊犁河，主桥为（37+103+320 +103+37) m 预应力混凝土斜拉桥。北岸引桥为 2×(3×40) m 预应力混凝土先简支后连续 T 梁。南岸引桥为 5×(大桥为4×40）+（3×40）m预应力混凝土先简支后连续T梁桥，全长1767m，设计标准为公路一级，设计速度80公里/小时。 h.项目已完成主桥合龙，预计2019年建成通车。
可克达拉特大桥主桥为（37+103+320+103+37）m双塔双索面预应力混凝土斜拉桥，主梁为双面箱形混凝土主梁，主桥结构体系为塔梁分离式半浮动体系，塔梁间采用支撑连接，在两边跨处各设一个副墩，用于调节主梁和索塔的内力和变形。提高主跨刚度，减少边跨受力。该桥总体布置如图1所示。
图1 桥型总体布置图（单位：cm）下载原图
主梁箱梁全宽3290cm（含两侧各20cm风嘴），中梁高300cm；标准梁段顶板厚度28cm，底板厚度35 cm，斜腹板厚25 cm，竖腹板厚35 cm；0#块底板加厚至65 cm；边跨现浇截面采用单箱三室截面，顶板厚65cm，底板厚70cm，斜腹板厚60cm，直腹板厚95cm。主梁顶板设置双向横向坡度1.5%，底板水平设置。主梁从索塔开始分块，0#块长度14m；标准块长度为8m，标准节段重量约538t；每节段距施工缝76cm处设32cm厚隔墙；梁处设隔墙主梁分端、副墩、索塔三部分，厚度分别为576、200、300 cm。跨中主梁截面形状如图2所示。
索塔采用双柱变截面“H”型索塔，由上塔柱、中塔柱、下塔柱及横梁组成，塔高107.5m，其中桥面以上高度89.2m，塔柱、横梁采用空心薄壁型材，上塔柱沿桥向宽度8.0m，中塔柱、下塔柱沿桥向宽度15.0m。桥梁在塔底由8.0m逐渐变为10.0m，上塔柱、中塔柱在桥梁横向的宽度均为4.5m，下塔柱横向宽度逐渐塔底高度由4.5m变为7.5m，塔间设置上横梁、中横梁和下横梁。上层横梁高4.0m、宽8m，中层横梁高4-5m、宽7m，下层横梁高5.0m、宽7m，墙厚80cm。
图2 主梁截面（单位：cm）下载原图
索道呈扇形排列，桥面标准间距为 8 米，边跨标准间距为 3.5 米和 4 米。塔上索道间距分别为 2.4 米、2.6 米和 2.8 米。索道由主桥采用高强度环氧平行钢丝，标准强度1670MPa，弹性模量2.0×105MPa，全桥共设19对缆索。
桥塔承台平面尺寸为16.5m×22.75m，厚6m新疆异形钢结构，每个承台连接12根直径2.5m的钻孔灌注桩。
过渡墩采用柱式墩，上部为左、右整体式盖梁，下部为分离式基础。桥墩采用矩形空心薄壁墩，截面尺寸为3.5m×3.0 m，墙厚70 cm；过渡墩承台平面尺寸为7.5 m×7.5 m，厚2.5 m，每个承台连接4根直径1.8 m钻孔桩。
辅助墩为柱式墩、台座及桩基，桥墩为矩形空心薄壁墩，截面尺寸为5.7m×3.0m，壁厚70cm，台座平面尺寸为8.0×7.5 m，厚2.5 m，每个底座与4根直径1.8 m的钻孔灌注桩连接。
2 工程地质及地震参数
项目所在地土质为第四纪冲积物，勘探深度100m范围内由粉土、卵石组成。
项目场地沿线无新的活动断层，无断层发育，为Ⅱ类建设场地，场地土体为中硬质土，无其他不良地质影响，抗震性能良好。
伊犁地区位于西天山伊犁地震带，不同构造单元在此交汇，地层褶皱、断层发育，地震多发。谯卫地区地震基本烈度为VII级，峰顶地震运动加速度为0.15g。
根据现行设计规范，该桥抗震设防类别为甲级，在地震作用下，桥梁主要承重构件必须保持弹性状态。该桥地震时程波采用《新疆生产建设兵团第四师可克达拉市特大桥工程场地抗震安全性评价报告》中给出了50年超越概率为2%的基岩加速度时程波形，其时程波形如图3所示。
3 主梁边界体系分析研究
斜拉桥是由塔、梁、索三个基本构件组成的组合结构体系，其塔梁结构体系主要有浮式体系和半浮式体系。主梁抗震边界体系的设置斜拉桥的结构不仅要满足主要承重构件在地震作用下的能力要求，而且还要使主梁在正常荷载作用下满足正常的使用要求。在研究该桥的抗震体系时，我们了解到查阅大量文献，发现对斜拉桥纵向地震体系的研究较多，均采用隔震装置，在桥塔、过渡墩、主梁之间设置纵向粘滞流体阻尼器，增加桥梁纵向阻尼，并减小主梁纵向位移。
针对横向抗震体系的研究相对较少，根据斜拉桥受力特点，结合前期工程经验及相关厂家建议，主梁边界体系方案设置如下：
（1）桥塔处桥塔与主梁之间设置横向抗风支座，限制桥塔处主梁的侧向位移。在副墩、过渡墩处设置横向刚性块，防止防止梁体坠落。桥塔、辅助墩、过渡墩及其基础均采用刚性加固（本文中块体均假定为刚性块体，不考虑梁体与块体之间的冲击力） ）。
（2）采用隔震设计。隔震设计目标是有效减小下部横向地震力，有效控制主梁横向地震位移，使桥塔、副墩、过渡段桥墩及其基础在合理配筋的条件下能够满足地震作用。
隔震设计的概念比较宽泛，其基本原理是通过增加边界阻尼或边界摆动耗能来增加结构周期，从而减少地震力。根据相关文献，目前隔震设计主要有以下几种类型：
①摩擦摆式隔震支座：根据支座特点，该类型支座主要参数如下：
图3 项目所在地2.5%概率超过50年限的基岩地震时程原图下载
支座初始刚度：Kp=μWdyΚp=μWdy；支座隔震期：T=2πRg−−√Τ=2πRg；支座屈曲后刚度：Kc=WRΚc=WR；支座恢复力：F= WRD+μW(sgnD)F=WRD+μW(sgnD)。式中：W为垂直荷载；dy为屈服位移；μ为动摩擦系数；R为曲率半径。
可以看出，该类型支座的主要参数均与竖向荷载有关。斜拉桥主要为缆索结构，缆索为主要竖向承重构件。支座处竖向荷载相对较小，导致支座的初始刚度和屈曲后刚度较小，进而导致主梁的侧向位移不可控制。同时，该类支座的初始刚度难以满足侧向风作用下主梁的抗力要求。
②侧向设置粘滞流体阻尼器：粘滞流体阻尼器是一种速度依赖型耗能装置，利用液体的粘滞性提供阻尼来耗散振动能量，是一种被动速度型耗能减震（减振）装置以粘性材料作为阻尼介质。
阻尼器的力学公式为：F=C·Vα。式中：C为阻尼系数；V为最大反应速度；α为速度指数。
在相关文献及国外实施项目中，横向粘滞流体阻尼器均设置在桥塔、副墩、过渡墩处。经咨询国内相关厂家，发现该设置方式存在诸多问题。首先，横向粘滞流体阻尼器限制主梁在正常使用情况下的纵向位移。其次是主梁与桥塔、副墩、过渡墩支座的设置问题，若采用横向限位支座，会首先损坏支座在地震作用下，支座会横向滑动，此时阻尼器才能发挥作用，如果横向位移过大，支座可能会有滑落的危险，如果采用横向滑动支座，由于这种设置，桥塔与主梁间隙较大，在常规横向风作用下，主梁将发生侧向位移，侧向设置粘滞流体阻尼器不可行。
③采用异形钢阻尼器作为侧向隔震装置，钢阻尼器特性及示意图如图4、图5所示。
图4 阻尼器示意图下载原图
从图5可知：
K1=FySyΚ1=FySy;K2=Fd−FySd−SyΚ2=Fd-FySd-Sy;Kh=FdSd (1)Κh=FdSd (1)
式中：F为阻尼力；Fd为设计阻尼力；Fy为屈服阻尼力；Kh为等效刚度；K1为初始水平刚度；K2为屈服后水平刚度；S为位移；Sd为设计位移；Sy为屈服位移。
图5 钢阻尼器单元双线性恢复力模型下载原图
钢阻尼器屈服后水平刚度与屈服刚度的关系为：
K2=0.04K1（2）
可以看出，钢阻尼器可以沿桥向自由滑动，在横向受到限制，可以有效解决主梁在正向荷载作用下沿桥向伸缩问题。横向初始刚度的选取方向需考虑主塔、副墩、过渡墩等承重构件的承载力要求，同时为防止支座在地震作用下发生破坏或滑移，支座选用两个方向位移较大的滑动支座，钢阻尼器横向初始阻尼力需大于横向设计风力。
通过以上分析，选取以下可行方案进行深入研究：
方案一：在桥塔处桥塔与主梁之间设置横向抗风支撑，限制主梁在桥塔处的侧向位移，在桥塔处设置防止梁坠落的横向刚性块。辅助墩、过渡墩，主梁与块体间缝隙处设置防撞橡胶垫，计算中不考虑橡胶垫刚度，块体也视为无限刚度，横向抗震主要力由桥塔、辅墩、过渡墩及其基础承担。
方案二：异型钢阻尼器与普通双向滑动支座组合。异型钢阻尼器分别用于桥塔、副墩、过渡墩，单侧桥塔处设置4个，双侧桥塔处设置2个。辅助墩和过渡墩。钢阻尼器计算参数如表1所示。
表1 导出至EXCEL的阻尼器计算参数
阻尼器
屈服
力矩/千牛
弹性位移/
毫米
设计地震位移/
毫米
屈服前刚度
力矩/(千牛·米-1)
屈服后刚度
K2/(千牛·米-1)
1 200
二十六
260
46 154
1,846
1,800
二十六
260
69 231
2,769
2 500
二十六
260
96 154
3,846
由于桥塔与主梁之间间隙约30 cm，主梁侧向位移需小于30 cm，初步设置为26 cm。
方案三：在方案二的基础上，取消桥塔处钢阻尼器，在桥塔与主梁之间设置横向抗风支撑，副墩、过渡墩阻尼器的设置方式及数量保持不变不变。本方案与方案二相比，在桥塔横向采用硬抗形式，在辅助墩、过渡墩横向采用隔震措施。
4 动力分析模型及地震反应分析
采用有限元程序Midas/Civil建立抗震性能分析的三维有限元动力计算模型，桥塔、主梁、墩采用空间梁单元模拟，斜拉索采用有限元 ...桁架单元。桥塔、过渡墩、副墩、主梁通过支撑连接，支撑采用弹性支撑模拟，横向钢阻尼器采用滞回系统模拟，纵向粘滞流体阻尼器为粘弹性耗能器另外，在过渡墩上施加引桥的自重，以考虑相邻结构的影响。同时，利用承台底部模拟实际桩基，模拟桩土相互作用。新疆异形钢结构，并采用等效刚度法在桩基位移零点处进行固结，建立的有限元模型如图6所示。
图6 动力计算有限元模型原图下载
根据动力学分析模型和地震动输入，采用非线性动力时程法进行横向地震反应分析，研究各种边界条件下桥墩、桥塔的应力状态。
方案二中设置主梁横向刚度约束及异型钢阻尼的分析结果如表2及图7～图9所示。
表2 导出至EXCEL的横墩底部弯矩
千牛·米
结构位置
解决方案 1
解决方案 2
钢阻尼1
钢阻尼 2
钢阻尼3
0#过渡墩
164,758
20,902
29,879
37220
1#辅墩
171，526
21,834
31,865
42 148
2#桥塔
833,871
628，404
642，164
646,803
3#桥塔
820,969
613,861
627，723
631,988
4#辅墩
171 638
21,839
31,868
42 147
5#过渡墩
164,943
20,944
29,841
37 217
图7 结构侧向循环下载原图
图8 桥塔顶位移原图下载
图9 主梁相对位移原图下载
从图7可以看出，方案2采用钢阻尼器后，结构侧向周期明显增大，但随着钢阻尼器水平屈服刚度的增大，结构周期也逐渐减小，可以从表2可以看出，采用钢阻尼器后，墩底侧弯矩明显减小，与刚性块相比，过渡墩、副墩底侧弯矩明显减小。桥塔横向减振量较小，但也达到了24.7%。同时，随着钢阻尼器水平屈服刚度的增加，墩底侧向弯矩逐渐增大。从图8可以看出，采用钢阻尼器后塔顶侧向位移有所减小，减小量约为13.4%，但随着钢阻尼器水平刚度的变化，塔顶侧向位移塔顶变化不大，由图9可以看出，随着钢阻尼器水平屈服刚度的增加，主梁相对侧向位移减小。
方案3刚性挡块及异型钢阻尼分析结果如图10～图14所示。
图10 结构水平循环下载原图
图11 过渡墩及辅墩底部横向弯矩下载原图
图12 桥塔底部横向弯矩下载原图
图13 桥塔顶侧向位移原图下载
从图10可以看出，采用方案3时，在过渡墩和副墩上设置侧向钢阻尼器，在桥塔处设置侧向限位后，结构的侧向周期明显减小，小于同时，随着钢阻尼水平屈服刚度的增大，结构侧向周期逐渐减小。从图11、图12可以看出，方案3下，过渡段侧向弯矩随着钢阻尼水平屈服刚度的增大，墩底侧弯矩也逐渐增大，但桥塔底部侧向弯矩较方案1有所增大。同时，随着钢材阻尼水平屈服刚度的增加，桥塔底部侧向弯矩有所减小。从图13可以看出，采用方案三时，桥塔顶部侧向位移较方案一时较大，但随着钢阻尼水平屈服刚度的增加，桥塔顶部侧向位移塔顶逐渐减小，由图14可知，过渡墩处主梁侧向相对位移受塔顶限制影响较小。在方案3和方案2边界条件下，两种结果相差不大，趋势与钢阻尼水平刚度的变化一致，副墩受塔限位影响较大，方案3下主梁侧向相对位移明显小于方案4下主梁侧向相对位移。但其趋势与钢阻尼水平刚度的变化趋势比较一致。
图14 主梁横向相对位移原图下载
从以上分析可以看出，方案3边界条件下，主梁在桥塔处进行侧向限制后，侧向地震力主要由桥塔承担，当侧向钢结构水平刚度阻尼器越小，桥塔处承受的横向地震力越大。当钢阻尼器水平刚度逐渐增大时，过渡墩和辅助墩分担部分横向地震力，桥塔处的地震力逐渐减小。减少。
5 结论
以可克达拉特大桥为研究对象，研究不同隔震措施的工作机理，并研究该类型斜拉桥在侧向隔震措施下的桥塔、过渡墩、辅助墩的侧向地震受力状态。进行了讨论。通过分析，得出以下结论：
(1) 当桥塔、过渡墩、辅助墩采取隔震措施时，可大大减小桥塔、过渡墩、辅助墩所受的横向地震力，其中过渡墩、辅助墩的减震率约为87.9%和87.3%，桥塔约占24.7%。同时，随着钢阻尼器水平屈服刚度的逐渐增大，桥塔、过渡墩、辅助墩所受横向地震力逐渐增大，主梁侧向相对位移逐渐减小。
(2) 当主梁在桥塔处进行侧向限制，并在过渡墩、副墩处采取隔震措施时，过渡墩、副墩处的侧向地震力大大减小，减小量约为85.1%和86.6%左右，但桥塔处的横向地震力有所增大，同时随着钢阻尼器水平屈服刚度的逐渐增大，过渡墩和副墩处的横向地震力逐渐增大，桥塔处的横向地震力逐渐减小。
(3) 横向异型钢阻尼器水平刚度的选取需综合考虑主梁横向相对位移要求、墩塔受力性能、法向刚度等多种因素的影响。横向载荷（包括风载荷），并选择合理的水平屈服刚度。
(4) 由于桥塔本身刚度较大，因此比较方案2和方案3。除地震力外，还需对桥塔在纵向和横向的正向荷载以及施工过程中的逆向荷载进行静力分析。施工阶段也是桥塔截面的重要控制因素。同时，为了施工方便，桥塔与主梁之间留有一定的间隙。当桥塔截面控制因素非-地震力，桥塔采用侧向限制，即方案三也是较好的选择，防止钢阻尼失效后，主梁与桥塔不会发生碰撞，避免发生意外风险。
参考
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