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)(∑∑===mj k j mk jks 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 #图3 主塔受力控制截面位置图在地震水平Ⅰ（100年超越概率10％）地震输入下，减震体系的地震响应的变形和受力值和两种体系各关键响应比值（减震体系/无减震体系）见表格3~4。

表4 减震体系主塔、边墩和辅助墩控制断面内力值及内力比表5 单桩内力最大值及内力最大值比从以上两表可以看到，E型钢阻尼支座和剪力销钉的主要影响表现在以下几个方面：(1)E型刚阻尼支座和剪力销钉联合作用对索塔的横桥向内力响应改善幅度较小，但索塔最大的弯矩需求（即塔底截面的弯矩需求）下降幅度较大。

(2)剪力销钉参与对主梁横向位移的限制，使得主桥结构的横向刚度得以增大，尤其是辅助墩的刚度明显变强。

因此此时辅助墩和边墩的地震需求相比无减震体系反而有所增大，尤其是辅助墩，而边墩增加的幅度并不大（边墩上只设置了一个屈服强度相对较低的横向约束销钉）。

辅助墩上原本只有活动支座，其水平地震响应基本由自身的惯性力产生，在设置了横向约束销钉以后，辅助墩参与了对主梁的约束，此时辅助墩在承受自身惯性力的同时也分担了主梁的一部分惯性力。

从数值上看，辅助墩的地震响应出现成倍的增长，最大达4.616。

类比于地震水平Ⅰ的输入，地震水平Ⅱ（100年超越概率4％的地震）得到的结论也是类似的。

因此，为改善斜拉桥的减震效果，考虑E型阻尼支座单独作用即不设置剪力销钉的情况。

4.3 E型阻尼支座单独作用下的减震效果分析在地震水平Ⅰ地震动(100年超越概率10％地震)输入下，E型阻尼支座单独作用下的减隔震体系的地震响应的变形和受力值和两种体系各关键响应比值(减震体系/无减震体系)见表格5~6。

表6 减震体系主塔、边墩和辅助墩控制断面内力值及内力比从表中可以看出，在E型阻尼支座单独作用时，E型钢阻尼支座对边墩墩底控制截面地震响应的改善是非常明显的，虽然地震动轴力有小幅增加，但剪力和弯矩得以大幅下降。

表7 单桩内力最大值及内力最大值比从最不利受力单桩的响应来看，横桥向索塔基础有小幅改善，边墩的桩基础改善程度最明显，从上表中可以看到，单桩的轴力、剪力和弯矩均有下降，尤其是轴力的下降幅度很大，这对于单桩的抗震性能而言是很大的提高，因为单桩往往会因为出现过大的地震动轴力而导致抗弯能力不足；辅助墩的单桩内力出现了一定程度的增加，但增加的幅度相比设置剪力销钉时要小很多。

类似的，在地震水平Ⅱ(100年超越概率4％的地震)的作用下得到的结论也相一致的。

5 结语在E型钢阻尼支座和剪力销钉联合作用下，对索塔的横桥向内力响应有所改善。

如果撤销剪力销钉，只在E型钢阻尼支座的约束作用下，辅助墩墩底控制截面的地震响应相比无减震体系有小幅的改善(针对地震动轴力和弯矩而言)，边墩的改善更加明显。

从这个意义上说，当只考虑抗震效果时，单独采用E型钢阻尼支座而不设置剪力销钉，其减震效果更好。

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