宁波铁路网

宁波甬江铁路斜拉桥的地震位移控制

杨喜文

【摘要】大跨度斜拉桥通常采用漂浮体系或半漂浮体系以延长结构的基本周期,从

而在强震作用下可以减小结构的地震惯性力,但地震位移较大.以甬江铁路斜拉桥为

工程背景,在参数分析的基础上确定了合理订单模板 的阻尼器参数,研究了粘滞阻尼器在地震

位移控制中的作用,并与不设阻尼器的情况进行了比较,结果表明:粘滞阻尼器可以有

效控制大跨度斜拉桥的地震位移,改善塔底的地震剪力,明显减小低重心斜拉桥的塔

底地震弯矩.%Floatingormi-floatingsystemsareusuallyemployedfor

long-spancable-stayedbridges;thebridgesalwayshavelongerba

theearthquakeforcesofthetypecable-stayedbridges

aresmaller,theismicdisplacementisbiggerthanthowithother

pertakesYong-jiangRailwaycable-stayedbridgein

Ningboasanexampletostudytheroleofviscousdamperincontrolling

ionalparametersofviscousdamperwere

determinedafterparameteranalysis,andthentheismicdisplacementsof

thebridge,withorwithoutviscousdampers,ultshowedthatviscousdamperwafficientincontrollingismic

displacementoflong-spancable-stayedbridge;theismicshearforcesat

bottomoftowerswerereducedslightlyandtheismicmomentsat

bottomoftowerswerereducedinalargerextentforthecable-stayed

bridgewithlowgravitycenter.

【期刊名称】《结构工程师》

【年(卷),期】2011(027)006

【总页数】6页(P78-83)

【关键词】大跨度斜拉桥;抗震分析;位移控制;参数分析

【作者】杨喜文

【作者单位】同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海200092

【正文语种】中文

1引言

由于铁路桥梁活载大、允许变形小，已建的中小跨度铁路斜拉桥通常采用塔－梁固

结体系，这种体系显著提高了斜拉桥纵向刚度，可有效控制结构位移，但结构地震

内力大幅增加［1］。因此，大跨度斜拉桥往往选择隔震体系(全飘浮或半漂浮)来

减小其地震内力。但是采用隔震体系的大跨度斜拉桥在强震下会产生过大的梁端位

移，必须加以控制才能保证整个结构的抗震安全性［2］。控制方法主要是在加劲

梁与桥墩或索塔间设置弹性约束装置或阻尼约束装置。

国内外研究者对塔－梁间约束装置的合理参数进行了研究，但大多为公路斜拉桥

［1－4］，铁路斜拉桥较少［1］。

本文以宁波甬江铁路斜拉桥为工程背景，通过在梁思成父亲 纵桥向引入粘滞阻尼器来提高其抗

震性能，并就阻尼器合理参数的确定和减震效果进行了研究，得到的参数变化规律

与设置方案可供工程应用参考。

2工程背景

2.1结构布置

宁波甬江铁路斜拉桥是宁波铁路枢纽北环线上跨越甬江的重要桥梁，是一座双塔双

索面混合梁斜拉桥，在纵桥向和横桥向均为对称结构，桥跨布置和索塔布置分别如

图1和图2所示，各桥墩的高度约为33m。

图1桥跨布置(单位:m)Fig.1Bridgeelevation(unit:m)

图2索塔布置(单位:m)Fig.2Configurationoftowers［Unit:m］

边跨及部分中跨主梁为预应力混凝土箱梁，其他部分中跨主梁为钢箱梁，钢－混结

合段位于中跨，距离索塔24.5m。主梁截面如图3所示。各桥墩和索塔的基础布

置情况如表1所示。

表1桥墩和索塔的基础布置(单位：m)Table1Foundationsofpiersand

tower(unit：m)桥墩和索塔1～4号、7～10号墩5号、6号塔承台尺寸10.6

14.64.027.038.99.0桩基121.5243.0

原设计方案中，纵桥向为半漂浮体系，主梁桥墩和主梁索塔间设置滑动摩擦支座;

横桥向在各墩和索塔处采用限位装置形成固结体系。为控制结构在纵桥向的地震位

移反应，在每个索塔主梁间设置4个液体粘滞阻尼器。

图3主梁截面(单位:m)Fig.3Cross-ctionofthegirder(unit:m)

2.2地震动输入

桥址场地类别为Ⅳ类，地震动输入采用重现期为2500年的六条人工地震加速度时

程，如图4所示，对应的设计反应谱如图5所示。

图4典型人工地震加速度时程Fig.4Typicalartificialaccelerationtimehistories

图5设计反应谱(阻尼比3%)Fig.5Designresponspectrum(3%Damping)

结构的地震反应取各加速度时程反应最大值的平均值。

2.3有限元模型

本文的分析计算通过有限元软件SAP2000实现。在有限元模型中，主梁和桥墩

采用空间梁单元模拟;在承台质心处采用集中质量模拟承台的作用;在承台底采用六

弹簧模拟桩基础，以考虑桩基的柔性，弹簧刚度采用m法计算［5，6］。

滑动摩擦支座的摩擦效应采用理想双线性模型模拟，滞回模型如图6所示，图中

临界摩擦力Ffy取支座恒载轴力R乘以动摩擦系数。初始刚度Kf0为临界摩擦力

Ffy与相应变形fy之比。Kfp为屈后刚度，普通摩擦支座取0［7］。

图6滑动摩擦支座的滞回模型Fig.6Hystereticmodeloffrictionbearing

在非线性分析中，粘滞阻尼器的回复力模型可用下式表示［4－10］

式中，Fc为阻尼力;C为阻尼系数;V为墩－梁间相对速度;为速度指数。

图7为具有不同参数的粘滞阻尼器模型，在同一正弦位移荷载作用下的滞回曲线。

由图7可知，当墩－梁间相对位移达到最大时，粘滞阻尼器的阻尼力最小，接近

于零;当阻尼力最大时，墩－梁间相对位移最小，因此粘滞阻尼器的阻尼力和结构

的弹性力之间存在90的相位差。

3阻尼器合理参数的确定及地震位移控制效果

3.1粘滞阻尼器参数敏感性分析

图7粘滞阻尼器回复力模型的力－位移滞回曲线Fig.7Hystereticloopsofviscousdampermodel

由式(1)可知，不同的粘滞阻尼器参数(C和)，将会对结构的地震响应产生不同的

影响。因此，在确定阻尼器的参数之前，须研究阻尼器参数与结构响应之间的规律，

为阻尼器的参数选取提供依据。本文共选取16对阻尼器参数组合，进行了参数敏

感性分析，其工况设置如表2所示。

表2阻尼器参数分析工况Table2Parametric-analysiscasforvisco唐顺 us

damperskN(ms－1)－2阻尼器参数C1000速度指数2.20.20.20.20.30.30.30.30.40.40.40.40.50.50.50.5

合理的阻尼器参数通过综优秀员工获奖感言 合考虑结构关键部位的地震响应和阻尼器的地震响应来确

定。结构关键部位的地震响应主要有梁端位移、塔顶位移、塔梁间的相对位移、塔

底的地震力等;阻尼器的地震响应主要有阻尼器变形和阻尼力。在确保控制结构地

震位移并改善结构地震力的同时，应尽量减小阻尼器的阻尼力，因为阻尼力过大将

会给阻尼器连接件的构造设计带来困难。

图8阻尼器参数对梁端位移的影响Fig.8Girder－enddisplacements

图9阻尼器参数对塔顶位移的影响Fig.9Tower－topdisplacements

图10阻尼器参数对塔－梁相对位移的影响Fig.10Tower－girderrelativedisplacements

图11阻尼器参数对阻尼力的影响Fig.11Dampingforcesofviscousdampers

图12阻尼器参数对塔底剪力的影响Fig.12Shearforcesatthebottomoftower

图13阻尼器参数对塔底弯矩的影响Fig.13Momentsatthebottomoftower

在地震作用沿纵桥向作用下，结构在纵桥向的地震反应如图8—图13所示。由于

结构在纵桥向对称，本文仅给出图1中左侧半结构的地震反应。其中，塔底指单

侧下塔柱的底部，阻尼器的阻尼力指单个阻尼器的阻尼力。为方便比较，不设粘滞

阻尼器时的分析结果同样在图上标出。

由图8—图10可知，粘滞阻尼器可以显著减小大跨度斜拉桥的梁端位移、塔顶位

移和塔梁间相对位移，减震效果随阻尼系数的增大而增大，随速度指数的增大而减

小。由图11可知，粘滞阻尼器的阻尼力对阻尼器参数的变化相当敏感，阻尼力随

阻尼系数的增大而快速增大，随速度指数的增大而减小。由图12—图13可知，

设置粘滞阻尼器可以改善索塔的地震力，但塔底地震力对阻尼器参数的变化并不敏

感。

值得注意的是，设置粘滞阻尼器后，塔底的剪力减小了大约13%，而塔底弯矩减

小了大约32%，剪力减小较少的原因是:当塔梁间相对位移达到最大时，阻尼器的

阻尼力反而最小，接近于零;当塔梁间相对位移最小时，阻尼器阻尼力达到最大，

阻尼器的阻尼力与索塔的弹性力间存在90的相位差;弯矩减小较多的原因是:甬江

铁路斜拉桥的下塔柱较矮，其高度占整个塔高的15.4%，属于低重心斜拉桥

［11］，因此纵桥向设置阻尼器后虽然塔底剪力减小较少，但塔底弯矩减小较多。

当阻尼系数C=2000kN(ms－1)－0.3个人借款模板 ，速度指数=0.3时，塔梁间相对位移

小于0.2m，阻尼器的阻尼力小于1500kN，而且塔底的地震力也得到一定程度

的改善，因此可以取C=2000kN(ms－1)－0.3，=0.3。

3.2地震位移控制效果

确定阻尼器的参数后，分别对“在索塔处设置和不设置粘滞阻尼器”两种工况进行

了非线性时程分析，图14—图18为关键部位的地震响应时程。由图14—图16

可知，设置粘滞阻尼器后斜拉桥的地震位移最大值减小了50%左右;图17表明，

粘滞阻尼器虽然不能显著减小塔底的地震剪力，但可以通过滞回耗能使其得到改善。

由图18可知，对于低重心斜拉桥，阻尼器的设置可以比较明显地减小塔底的地震

弯矩。

图14梁端位移时程Fig.14Timehistoriesofgirder－enddisplacements

图15塔梁间相对位移时程Fig.15Timehistoriesoftower－girderrelativedisplacements

图16塔顶位移时程Fig.16Timehistoriesoftower－topdisplacements

图17塔底剪力时程Fig.17Timehistoriesofshearforcesatthebottomoftowers

图18塔底弯矩时程Fig.18Timehistoriesofmomentsatthebottomof

towers

4结语

(1)对于纵桥向采用漂浮或半漂浮体系的斜拉桥，粘滞阻尼器可以有效控制其纵桥

向的地震位移响应，包括梁端位移、塔顶位移以及塔－梁间相对位移，但合理的阻

尼器参数需要通过参数敏感性分析获得。

(2)粘滞阻尼器的合理设计参数的选取应综合考虑结构的地震响应和阻尼器自身的

地震响应，在确保地震位移得到控制的情况下，应尽量减小阻尼器的阻尼力，以便

于其安装。

(3)由于粘滞阻尼器最大阻尼力与塔－梁间最大相对位移之间存在90的相位差，

因此，阻尼力对塔底的剪力影响不显著，索塔地震剪力的改善主要通过阻尼器耗散

地震能量获得。

(4)对于低重心斜拉桥，由于下塔柱的高度在整个索塔中所占比例较小，塔梁间设

置粘滞阻尼器后，其塔底的地震弯矩可以得到更多的改善。

参考文献

【相关文献】

［1］梁智垚，李建中.大跨度公铁两用斜拉桥阻尼器参数研究［J］.同济大学学报(自然科学版)，

2007，35(6):Y，chonDamperParametersofLong-SpanRail-

Cum-RoadCable-StayedBridge［J］.JournalofTongjiUniversity(NaturalScience)，2007，35(6):728-733.(inChine)

［2］叶爱君，胡世德，范立础.超大跨度斜拉桥的地震位移控制［J］.土木工程学报，2004，

37(12):，HuSD，cDisplacementsControlforSuper-Long-

SpanCable-StayedBridges［J］.ChinaCivilEngineeringJournal，2004，37(12):38-43.(inChine)

［3］叶爱君，范立础.附加阻尼器对超大跨度斜拉桥的减震效果［J］.同济大学学报(自然科学版)，

2006，34(7):，cResponReductionofaSuper-Long-Span

Cable-StayedBridgebyAddingDampers［J］.JournalofTongjiUnive报税员 rsity(NaturalScience)，

2006，34(7):860-863.(inChine)

［4］王志强，胡世德，范立础.东海大桥粘滞阻尼器参数研究［J］.中国公路学报，2005，

18(3):，HuSD，chonViscousDamperParametersof

DonghaiBridge［J］.ChinaJournalofHighwayandTransport，2005，18(3):37-42.(inChine)

［5］包立新，李小珍，卫星，等.宜宾长江公路大桥斜拉桥抗震性能评价［J］.工程力学，2008，

25(2):，LiXZ，WeiX，tionofSeismicResistanceCapacityfor

YibinYangtzeRiverCable-StayedBridge［J］.EngineeringMechanics，2008，25(2):174-182.(inChine)

［6］秦权，孙晓燕，贺瑞，等.苏通桥对非一致地震地面运动的反应和人工波质量的讨论［J］.工

程力学，2006，23(9):，SunXY，HeR，sofSutongCable-

StayedBridgetoAsynchronousEarthquakeGroundMotionsandQualityofSyntheticTime

Histories［J］.EngineeringMechanics，2006，23(9):71-83.(inChine)

［7］叶爱君，胡世德，范立础.桥梁支座抗震性能的模拟分析［J］.同济大学学报，2001，

29(1):，HuSD，tionofSeismicBehaviorforBridgeBearings

［J］.JournalofTongjiUniversity，2001，29(1):6-9.(inChine)

［8］LinWH，uakeResponofElasticSDFSystemswithNon-

LinearFluidViscousDampers［J］.EarthquakeEngineeringandStructuralDynamics，

2002，31(9):1623-1642.

［9］高永，刘慈军，彭天波，等.阻尼器和弹性索组合使用对大跨斜拉桥地震反应的影响［J］.结

构工程师，2008，24(5):，LiuCJ，PengTB，cPerformance

AnalysisofLong-SpanCable-StayedBridgesusingbothDampersandElasticCable

［J］.StructuralEngineers，2008，24(5):71-76.(inChine)

［10］吴陶晶，李建中，管仲国.减隔震装置作用机理及其在大跨度连续梁桥中的应用［J］.结构

工程师，2009，25(4):，LiJZ，ismofSeismicIsolation

DevicesandApplicationsinaLong-SpanContinuousBridge［J］.StructuralEngineers，

2009，25(4):102-107.(inChine)

［11］张文学，李建中，李怀峰.低重心斜拉桥地震响excel年龄计算公式 应特性研究［J］.桥梁建设，2007(5):21-

X，LiJZ，fSeismicResponCharacteristicsofLowGravity

CenterCable2StayedBridge［J］.BridgeConstruction，2007(5):21-23.(inChine)