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1、大跨度连续梁拱组合体系桥梁减震设计 第32卷第3期2010年6月 工程抗震与加固改造 EarthquakeResistantEngineeringandRetrofitting Vol.32，No.3Jun.2010 8412（2010）03-0030-06文章编号1002- 曹新建，袁万城，高 摘 永，魏凯（同济大学 土木工程防灾国家重点实验室，上海200092） 要分析了大跨度连续梁拱组合体系桥梁的地震易损部位特点，提出了有利于该类桥梁抗震设计的合理塑性铰出现 以及两类具体的位移控制装置：弹性连接装置和粘滞阻尼器，并对两种位顺序。简要介绍了桥梁地震位移响应的控制机理， 移控制装置进行了参数
2、敏感性分析。最后以一实桥为例，介绍了大跨度连续梁拱组合体系桥梁的减震设计。研究表明，弹性连接装置和粘滞阻尼器均能有效地控制结构的地震位移响应，但如果考虑到经济性和耐久性因素，弹性连接装置稍有优势。关键词桥梁工程；梁拱组合体系；弹性索；粘滞阻尼器；减震设计；位移控制中图分类号U442.5；TU352.1 文献标识码A AseismicDesignofLong-spanContinuousBeam-archCombinationBridges CaoXin-jian，YuanWan-cheng，GaoYong，WeiKai（StateKeyLaboratoryforDisasterReductio
3、ninCivilEngineering，Tongji University，Shanghai200092，China） Abstract：Thevulnerablecharacteristicoflong-spancontinuousbeam-archcombinationbridgesisanalyzed，andareasonableorderofplastichingeisproposed.Thecontrolmechanismofseismicdisplacementresponseandtwodisplacementcontroldevices，elasticlinkdevicesan
4、dviscousdamper，arebrieflyintroduced.Thenparametersensitivityanalysisofthetwodevicesiscarriedoutwithresponsespectrummethod.Finally，theseismicdesignofabridgeisintroducedasanexample.Theresultsshowthatboththeelasticlinkdevicesandtheviscousdamperwithrationalparametersmayreducetheseismicdisplacementsignif
5、icantly，buttheelasticlinkdeviceisbetterifeconomyanddurabilityfactorsareconsidered. Keywords：bridgeengineering；beam-archcombinationsystem；elasticcable；viscousdamper；aseismicdesign；displacementcontrolE-mail：cxj_ 1引言 梁拱组合体系桥梁是一种特殊形式的桥梁，兼 1 有拱桥和梁桥的特点。拱与梁的组合形成了新使拱与梁在受力方面的优点得以充分的结构体系， 2 发挥。从结构内部受力情况看，荷载在拱
6、与梁中产生的内力大部分转变为它们之间所形成的自平衡体系的相互作用力。拱的水平推力与梁的轴向拉力相互作用，拱与梁截面的总弯矩等效为主要呈拱压、梁拉的受力形式，剪力则主要成为拱压力的竖向分力 3 径20m的下承式钢筋混凝土梁拱组合桥。进入 20世纪80年代以来，随着我国经济的发展和桥梁设计理论、手段的进步，各种结构形式的梁拱组合桥梁不断涌现。连续梁拱组合体系桥梁因具有结构刚度大、动力性能好、施工干扰小、结构轻盈美观等优 5 点，近年来相继在桥梁设计中得到应用与研究。其中三跨连续形式的梁拱组合体系桥梁适用于较大跨度的城市桥梁，且可以做成外部无推力以适应软土地基环境，备受软基地区重视，在60m200m
7、跨径范围内具有较大的竞争优势。 我国是一个多地震的国家，建设大跨度桥梁时很重要的一个课题就是如何保证桥梁的抗震安全 （JTJ004-性。我国现行公路工程抗震设计规范89）仅适用于跨度不大于150m的梁桥和拱桥等规则桥梁，对于大跨度连续梁拱组合体系桥梁的抗震评估并不适用。目前，国内外对该类桥梁的静力体 EarthquakeResistantEngineeringandRetrofitting June2010 4 。 我国公路桥梁史上首座梁拱组合体系桥梁为天 津杨村（今武清县）双龙桥，建于1922年，为3孔跨 06-24收稿日期2009-基金项目国家自然科学基金项目（50778131）；国家科技
8、支撑计 划项目（2006BAG04B01） 系研究已有相当多的成果，但对其抗震易损性特点、合理的减震措施以及方法等尚缺乏深入细致的研 究。本文首先分析了大跨度连续梁拱组合体系桥梁的地震易损部位特点，并对具体减震装置和合理参数选取进行阐述。最后以一实桥为例，介绍了大跨度连续梁拱组合体系桥梁的减震设计。2梁拱组合体系桥梁易损部位特点 连续梁拱组合体系桥梁内部受力体系较复杂，但对于抗震分析而言，关注的重点是桥梁的下部结构和支座等易损部位，对于其复杂的上部结构体系内部受力可以不予关注。从抗震角度来说，连续梁拱组合体系可以看作连续梁桥。连续梁拱组合体系桥梁的振动特性与地震响应及墩、梁约束方式有关。在顺桥
9、向，地震作用主要由固定墩单独承担，非固定墩贡献不大。在横桥向，一般各墩均会设置横向限横向地震力由各墩共同分担。在顺桥向，其位支座， 振动特性主要与固定墩的刚度K以及上部结构质量有关，一般周期较长，对应反应谱值较小，但由于全部质量产生的地震作用由固定墩单独承担，其固定墩地震响应也会较大。在横桥向，由于各墩刚度并联，对体系总体刚度均有贡献，因此与顺桥向相其周期要短很多，对应反应谱值也较大，地震响比， 应亦较大。因此纵、横向地震输入时，体系均有可能发生破坏。 连续梁拱组合体系桥梁的主梁、拱肋以及吊杆等上部结构构件在地震作用下的反应与其构件强度 其设计主要由恒载、活载、温度荷载等控相比不大， 制；抗震
10、薄弱部位位于桥墩及其基础，以及支承连接 部位，这些部位是连续梁拱组合体系桥梁抗震设计的重点。根据能力设计原理，用于抵抗地震侧向力的钢筋混凝土桥墩通常设计成延性构件，其它构件 6 则常常设计成弹性构件。但桥墩的设计因恒载等静力荷载的需求，截面能力设计的很强而较难进 采用允许支座剪切破坏的方法释放上部结构质 量对下部结构的作用，可以有效地保护桥梁构件不受地震破坏，但其付出的代价是上部结构位移的增大，因此，需设置一定的装置以限制上部结构过大的位移，同时提供一定的恢复力。3位移控制机理及装置 允许支座剪切破坏，会导致梁端产生过大的地震位移。要减小梁端的位移反应，可以有两种途径 7 ：适当缩短结构的周期
11、（增大结构的刚度）， 兼顾力和位移，找出一个折中方案；增大桥梁结构的阻尼。位移响应与周期和阻尼的关系如图1所示。为了控制因支座剪坏而引起的过大的梁端地震位移，可以在墩、梁之间增设的减震装置主要有两类，第一类装置提供纵向刚度，第二类装置提供阻尼。而成功减小地震位移的关键，则在于选择合适梁连接装置，以及对应的合理参数 。的墩、 图1 Fig.1 位移反应谱 Displacementresponsespectrum 3.1弹性连接装置 弹性连接装置的主要作用是提供弹性刚度，而不是耗能。弹性连接装置主要有大型橡胶支座、钢铰线拉索等，主要用于限位的液压缓冲装置也可以看成是弹性连接装置的一种。大型橡胶支座
12、、钢铰线拉索等弹性连接装置对所有的荷载均提供弹性刚度；而液压缓冲装置对温度变化、较小风速和车辆等但对汽车制动力、阵风和缓慢作用的荷载不起作用， 地震等急速作用的荷载则起固定约束作用。3.2 阻尼器 阻尼器的作用主要是提供阻尼，种类较多，有铅挤压阻尼器、钢阻尼器、摩擦阻尼器以及流体粘滞阻尼器等。其中，较为成熟且适用于大跨度桥梁的主要是流体粘滞阻尼器。流体粘滞阻尼器的阻尼力与相对速度的关系可表达为： F=CV 2010 入塑性。相对而言，支座在震后易于替换，且维修费用不高。因此可以将支座作为第一顺序塑性铰，而桥墩作为第二顺序塑性铰。这样既保证了能力保护构件受到保护，又降低了维修费用，是一个合理的选
13、择。 因此，建议在地震作用下，允许支座剪切破坏以保护其它构件。此时，支座的水平剪切强度要根据地震响应进行合理设计，以保证支座在地震作用下能够按要求发生剪切破坏。 EarthquakeResistantEngineeringandRetrofitting Vol.32，No.3 （1） 32工程抗震与加固改造2010年6月 F为阻尼力，C是阻尼系数，V是速度，其中，是指数（从抗震角度，常用值一般为0.31.0）。当取为1.0时，阻尼力与相对速度成比例，这种阻尼器称为线性阻尼器，其滞回曲线形状近似椭圆，阻尼力和结构的弹性力之间有90度的相位差，因此，并不增加桥墩的受力。在蠕变变形（如温度、徐变变形
14、）作用下，流体粘滞阻尼器产生的抗力接近于零。3.3位移控制装置的参数选取 墩、梁连接装置对地震位移的控制效果取决于装置的参数选取，因此，选择合理的参数非常关键。两类连接装置的参数各不相同，弹性连接装置的参 而阻尼器的参数主要是阻尼数是弹性连接刚度K， 系数C，速度指数。为了控制地震位移而设置的 墩、梁连接装置，在选择具体装置及其参数时，首先要考虑到对地震位移的控制效果，同时还应结合其 它荷载的需求，装置的造价、耐久性和可靠性以及安 装的位置等实际情况而定。44.1 三跨连续梁拱组合体系桥梁减震设计实例工程概况及动力分析模型 某桥采用双向六车道高速公路标准，主桥采用结合梁拱桥方案，跨径布置为32
15、10m=630m。主、副拱肋为钢结构，主梁为等截面结合梁，下部结构采用近V形薄壁墩形式，顺接拱肋线形。V墩顶设支座支撑结合梁梁体，并设纵梁平衡斜腿水平分力。通过墩顶纵梁线形的调整和优化，使结合梁与V墩线形浑然一体。图2给出了主桥的立面布置，其中PS1墩设有纵向固定支座，其余各墩设纵向滑动支座；为了限制主梁的横向滑动，同时消除温度效应的不利影响，在各墩的一侧设横向固定支座，另一侧为横向滑动支座 。 约束；桥墩基础冲刷线以上的桩基采用空间梁单元模拟，冲刷线以下的部分，每根单桩采用66耦合弹簧来模拟桩土相互作用，各处支座根据其约束特性采用相应的主从约束来模拟。 根据反应谱分析结果，在P2概率水平下，
16、支座处剪力超过其抗剪强度，同时各墩桩顶抗震能力不允许支座在P2概率水平足。为了达到减震的效果，地震作用下剪坏，以释放上部结构质量产生的地震力对桥墩和基础的作用。并采用非线性时程分析方法对支座剪坏后的结构进行分析，图4即为本文分析中所用到的100年3%超越概率下的3条波。4.2参数敏感性分析 从控制地震位移的角度讨论墩、梁连接装置的合理参数选取时，必须进行参数敏感性分析，比较不同参数取值对控制地震位移的效果。进行参数分析和位移控制效果比较时，主要应考察梁端位移、墩底剪 EarthquakeResistantEngineeringandRetrofitting June2010 图3 Fig.3
17、动力分析模型 Dynamicanalysismodelofthebridge 其中，主梁、主拱肋、副拱肋和桥墩采用空间梁 单元模拟；吊杆采用空间桁架单元模拟，并考虑恒载几何刚度的影响；承台的模拟方法是：将承台质量堆聚于形心，并将承台上、下缘分别与桥墩和桩基主从 力和弯矩。有限元模型中弹性索/阻尼器布置如图5C代表阻尼器阻尼系数 。所示。K代表弹性索刚度， 图4 Fig.4 100年超越概率3%时程波offailureper100 years Timehistorywaveswith3%probability 图6Fig.6 刚度对梁端位移、墩底剪力的影响（纵向）Deckdisplacement
18、andshearforceatpier 图7Fig.7 刚度对梁端位移、墩底剪力的影响（横向）Deckdisplacementandshearforceatpierbottomversuselasticstiffness（lateral） bottomversuselasticstiffness（longitudinal ） 由图6可以看出，梁端纵向位移在弹性索刚度 K取值为2000100000kN/m的范围内逐渐减小，在K取值为100000300000kN/m范围时变化不太明显；PS1墩纵向墩底剪力在K取值为2000100000kN/m范围内时迅速增大，在K取值为100000300000kN
19、/m范围时不断增加，但增速较缓。 由图7可以看出，梁端横向位移在弹性索刚度K取值为2000100000kN/m的范围内迅速减小， EarthquakeResistantEngineeringandRetrofitting Vol.32，No.3 在K取值为100000300000kN/m范围时变化不太 明显；PS1墩横向墩底剪力在K取值为2000100000kN/m范围内时变化不太明显，在K取值为100000300000kN/m范围时迅速增大； 综上，在K取值为2000100000kN/m时，随着弹性索刚度的增加，梁端位移迅速减小，同时PS1墩墩底剪力又不会增加太多；而在K取值为1000003
20、00000kN/m时，墩底剪力逐渐增大，而位移却没有明显减少。因此选取弹性索刚度K为100000kN/m 2010 34工程抗震与加固改造2010年6月 作为弹性索的设计建议值。 （2）阻尼器 为了确定阻尼器的合理参数，分别采用9个阻 尼常数、 4个速度指数对主桥动力模型进行了非线图8阻尼系数对梁端位移的影响（纵向）Fig.8 Deckdisplacementversusdampercoefficient（longitudinal ） 由图8、图9可以看出，顺桥向和横桥向的规律基本相同。梁端位移随阻尼系数C值的增大而减小，当C>10000后梁端位移随阻尼系数C值的增 图10阻尼系数对墩底
21、剪力的影响（纵向）Fig.10 Shearforceatpierbottomversusdampercoefficient（longitudinal ） 由图10、图11可以看出，在顺桥向，墩底剪力随着阻尼系数C的增大而增大，随着速度指数的增大而减小；在横桥向，当速度指数=0.30.5时，墩底剪力随着阻尼系数C的增大而增大，当速度指数=0.70.9时，墩底剪力随着阻尼系数C的增大先减小后增大。 综合以上分析，在有效控制结构关键部位位移响应，并尽可能减小结构内力响应的前提下，选取C=8000，=0.3作为推荐的参数组合。4.3 位移控制装置效果比较 对上述选取的弹性索和阻尼器参数进行非线性 性分
22、析。不同阻尼系数C和不同速度指数对梁 端位移和PS1墩墩底剪力的影响如图8图11所示 。 图9阻尼系数对梁端位移的影响（横向）Fig.9 Deckdisplacementversusdamper coefficient（lateral） 大而减小的幅度有限；梁端位移随速度指数的增 大而减小 。 图11阻尼系数对墩底剪力的影响（横向）Fig.11 Shearforceatpierbottomversusdampercoefficient（lateral） 时程分析，得到采用弹性索或阻尼器后的梁端位移 见表1。在纵向，弹性索和阻尼器对位移的控制效果相当；在横向，弹性索对位移的控制效果要稍优于阻尼器
23、。 表1 梁端位移对比（m） Table1 Comparisonofdeckdisplacement纵向 横向 位置 支座剪断弹性索阻尼器支座剪断弹性索阻尼器PN20.1620.0990.0980.1760.0680.062PS2 0.161 0.099 0.098 0.163 0.067 0.060 EarthquakeResistantEngineeringandRetrofittingJune2010 设置弹性索或阻尼器后，各墩墩底剪力和墩底 弯矩的比较如图12图15所示。由图可知，无论是顺桥向还是横桥向，采用弹性索后墩底剪力和墩 底弯矩都比采用阻尼器装置的要小 。 图12Fig.12
24、不同约束方式对墩底剪力的影响（纵向）Shearforceatpierbottomunderfour 图13Fig.13 不同约束方式对墩底剪力的影响（横向）Shearforceatpierbottomunderfour differentrestraintconditions（longitudinal ）differentrestraintconditions（lateral ） 图14Fig.14 不同约束方式对墩底弯矩的影响（纵向）Bendingmomentatpierbottomunderfour 图15Fig.15 不同约束方式对墩底弯矩的影响（横向）Bendingmomentatpi
25、erbottomunderfour differentrestraintconditions（longitudinal ）differentrestraintconditions（lateral） 由表1中数据及图12图15可以看出，在有使得墩底的剪力和弯矩也效控制梁端位移的同时， 大幅减小，有效地保护了桥墩及基础，减震效果良好。在同等位移控制效果的情况下，采用弹性索装置在控制墩底内力方面略优于阻尼器。另外，液体粘滞阻尼器价格较高，且容易发生漏油事故导致阻尼器失效；而弹性索造价低廉且易于维护、更换。因此推荐采用弹性索作为该桥的合理减震装置方案。5 结论 基于上述分析，可以得到以下结论。 （1）
26、对于大跨度连续梁拱组合体系桥梁，为了保护桥梁主要构件在地震作用下不至于破坏，可以将支座设计为第一顺序塑性铰，桥墩为第二顺序塑性铰，其它构件设计成能力保护构件。 （2）在地震作用下，可以允许支座剪坏，但要设置限位装置以控制过大的地震位移响应。 EarthquakeResistantEngineeringandRetrofitting Vol.32，No.3 2010 （3）从控制位移的机理来看，可以使用的装置主要有两种，即弹性索和阻尼器。弹性索通过适当 缩短结构的周期（增大结构的刚度），兼顾力和位移；而阻尼器通过增大桥梁结构的阻尼来控制结构的位移，同时具有耗能的作用。 （4）通过对实例的分析可知
27、，只要选取合理的参数，弹性索和阻尼器都能有效地控制结构的位移。但如果考虑到经济性和耐久性因素，弹性索要稍优于阻尼器。 参考文献（References）： 1金成棣.预应力混凝土梁拱组合桥梁设计研究与 M.北京：人民交通出版社，2001实践 JinCheng-di.PCArch-girderCombinationBridge-DesignStudyandPracticeM.Beijing：ChinaCommunicationsPress，2001 （下转） 第32卷第3期黄鑫东，等：不规则高层隔震结构地震响应的影响分析23 7UcakAlperandPanosTsopelas.EffectofS
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