安慶長江大橋粘滯阻尼器參數(shù)分析

宋連鋒 ，孫良鳳 ，袁 佩

（1.浙江大學(xué)建筑設(shè)計院市政交通分院，浙江杭州310000；2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶市 400067）

0 前言

作為生命線工程的橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性不同于一般的結(jié)構(gòu)，一旦破壞將會造成救災(zāi)工作的巨大困難，使次生災(zāi)害加重，造成更大的經(jīng)濟(jì)損失，因此必須增加橋梁結(jié)構(gòu)的抗震安全儲備。結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)作為一項結(jié)構(gòu)減震新技術(shù)，主要指在結(jié)構(gòu)中設(shè)置耗能裝置，通過耗能設(shè)備本身提供附加阻尼，以消耗地震時輸入上部結(jié)構(gòu)的地震能量，達(dá)到設(shè)防預(yù)期要求。近年來，引入阻尼器來改善橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能成為一個研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)[1-2]。

阻尼器形式大致可以分為四類：彈塑性阻尼、摩擦阻尼、粘彈性阻尼及流體粘滯阻尼[3]。阻尼器的作用主要是提供阻尼，其中流體粘滯阻尼器技術(shù)較為成熟并且適用于大跨度橋梁。比如在廣西南寧大橋[4]、上海盧浦大橋等橋梁就安裝了類似的粘滯阻尼器。

基于流體粘滯阻尼器的力學(xué)特性，從抗震角度對安慶長江大橋擬安裝的流體粘滯阻尼器的參數(shù)進(jìn)行分析，以期得到該橋減震控制的綜合最優(yōu)方案。

1 工程概況

安慶長江公路大橋主橋為（50+215+510+215+50）m五跨連續(xù)鋼箱梁斜拉橋。橋面縱坡為2.75%，其中主跨處于R=20000 m的圓弧豎曲線上。主梁為全焊扁平流線形閉口鋼箱梁，其上翼緣為正交異性板結(jié)構(gòu)。斜拉索采用鋼絞線拉索，標(biāo)準(zhǔn)索距為15 m。最大索長269.37 m，重17.2 t。斜拉索錨固于鋼箱梁腹板側(cè)的斜拉索錨箱上。斜拉索的減振采用液壓阻尼器與減振橡膠塊共同作用的方式。全橋共設(shè)有六對豎向支座，其中主塔處豎向支座兼有縱向限位功能，過渡墩及輔助墩處豎向支座兼有抵抗部分橫向力功能；橫向抗風(fēng)抗震支座2對，設(shè)于橋塔處。

輔助墩墩身設(shè)計主要受船撞力控制，設(shè)計為了增強(qiáng)其防撞能力，將墩身做成實(shí)心，在承臺上、兩墩柱間設(shè)置橫系墻。過渡墩采用分離式花瓶形橋墩，鉆孔灌注群樁基礎(chǔ)。設(shè)計綜合考慮了結(jié)構(gòu)受力、景觀造型、施工方案等因素。承臺和樁基均設(shè)計為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。橋梁的立面布置如圖1所示。

2 流體粘滯阻尼器

采用流體粘滯阻尼器進(jìn)行分析計算。流體粘滯阻尼器一般由活塞、流體、油缸，以及節(jié)流孔組成，是利用活塞前后壓力差使油流過節(jié)流孔產(chǎn)生阻尼力的一種減震裝置。流體粘滯阻尼器的實(shí)樣如圖2所示。

采用Maxwell模型來模擬粘滯阻尼器單元，這種模型是Malvern在1969年提出來的，由一個阻尼器單元和線性彈簧的串聯(lián)構(gòu)成。在這種模型中，非線性力-變形關(guān)系如下：

式中：f為阻尼力；kb為連接彈簧的剛度；db為阻尼器的變形；cd為阻尼器阻尼系數(shù)；sign()為符號函數(shù)；dc為阻尼器變形速率；α為阻尼器的速度指數(shù)。當(dāng)α=1時稱為線性阻尼，當(dāng)α<1時稱為非線性阻尼，當(dāng)α>1時稱為鎖阻尼[5]。α取值一般在0.1～2.0之間，結(jié)構(gòu)抗震計算時，常用值一般在0.2～1.0之間。

3 阻尼器參數(shù)分析

3.1 分析模型

在安慶大橋動力計算中，采用Midas Civil2010有限元軟件建模，結(jié)構(gòu)采用三維空間有限元模型。模型建立過程中，主塔、主梁、主墩均采用梁單元進(jìn)行模擬，拉索采用桁架單元模擬。安慶長江大橋主橋的空間有限元模型如圖3所示。模型共有單元936個，節(jié)點(diǎn)1043個。

所有樁基均采用土彈簧進(jìn)行模擬，根據(jù)該橋的工程地質(zhì)典型鉆孔柱狀圖，對不同橋墩處的地基土彈簧進(jìn)行模擬，具體參數(shù)見表1所列。

表1 樁基土彈簧參數(shù)表

表1中，Dx，Dy，Dz分別為順橋向、橫橋向、豎橋向的平動自由度，單位為106kN/m。Rx，Ry，Rz分別為繞順橋向、橫橋向、豎橋向的轉(zhuǎn)動自由度，單位為 106kN·m/[rad]。

3.2 地震動輸入

根據(jù)大橋所在場地特點(diǎn)進(jìn)行地震波輸入，場地地震基本烈度為7度，峰值加速度為0.1 g。選擇了地震工程界較為著名的天然波El_Centro波。在進(jìn)行時程分析時，相應(yīng)地將加速度峰值進(jìn)行調(diào)整，E2地震作用的峰值加速度調(diào)整為0.15 g。地震動時程曲線如圖4所示。計算分析采用水平地震動和豎向地震動共同作用，豎向地震動取值為水平地震動的2/3。

3.3 參數(shù)分析

需對結(jié)構(gòu)引入阻尼器的情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，主要考慮對阻尼器系數(shù)C、速度指數(shù)α進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，分析研究這些參數(shù)變化對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響規(guī)律。本文選取阻尼系數(shù)C為2000～5000，速度指數(shù)α為0.2～0.5。

（1）在E2地震作用下，不同參數(shù)組合對南塔塔底剪力及彎矩的影響曲線如圖5和圖6所示。

由圖5可以看出隨著速度指數(shù)的增大，阻尼系數(shù)為3000～5000的塔底剪力先減小再增大；阻尼系數(shù)為2000的塔底剪力逐漸增大。由圖6可以看出隨著速度指數(shù)的增大，塔底彎矩逐漸減小，并且減小的趨勢變緩。

（2）不同參數(shù)組合對南塔塔頂位移及梁端位移的影響曲線如圖7和圖8所示。

由圖7可以看出隨著速度指數(shù)的增大，阻尼系數(shù)為2000～4000的塔頂位移逐漸減?。蛔枘嵯禂?shù)為5000的塔頂位移先減小再增大再減小。由圖8可以看出隨著速度指數(shù)的增大，阻尼系數(shù)為2000的梁端位移逐漸增大；阻尼系數(shù)為3000的梁端位移先減小再增大；阻尼系數(shù)為4000～5000的梁端位移逐漸減小。

（3）經(jīng)過上面的綜合分析，得到既能減小梁端位移，又能降低塔底彎矩的三組較合理阻尼器參數(shù)：粘滯阻尼系數(shù)C為3000；非線性速度指數(shù)α為0.5；粘滯阻尼系數(shù)C為4000；非線性速度指數(shù)α為0.5；粘滯阻尼系數(shù)C為2000；非線性速度指數(shù)α為0.4。為了進(jìn)一步確定阻尼器參數(shù)，下面對三組阻尼器進(jìn)行減震效果的分析。在三組阻尼器下橋梁的地震響應(yīng)數(shù)據(jù)如表2所列，直觀柱狀圖如圖9所示。

設(shè)置阻尼器后，斜拉橋主梁縱向位移與塔底彎矩的減震效果明顯。經(jīng)過綜合比較，選取阻尼參數(shù)為3000 kN/（m/s）0.5，E2地震作用下對斜拉橋主梁位移的控制效果在70.1%，單個阻尼力為1160 kN，控制效果及阻尼力均較為理想。

為了更直接地觀察安裝阻尼器后的減震效果，下面把安裝阻尼器前后的塔底彎矩、剪力和塔頂、梁端位移時程反應(yīng)曲線繪制成圖，如圖10～圖13所示。

通過圖10～圖13可以看出，結(jié)構(gòu)設(shè)置阻尼器后塔底彎矩、剪力、塔頂位移和梁端位移都比設(shè)置阻尼器前有了明顯的減小。圖14為E2地震作用下滯回曲線圖。從圖14，可看出阻尼器的滯回能力比較強(qiáng)，阻尼力為1160 kN，單個阻尼器的額定阻尼力可以選擇為1500 kN。

表2 E2地震作用下橋梁地震反應(yīng)（表中阻尼系數(shù)為單個阻尼器的阻尼系數(shù)）一覽表

4 結(jié)論

（1）安慶長江大橋設(shè)置阻尼器后，E2地震作用下，結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力響應(yīng)都有明顯的減小。

（2）通過不同參數(shù)組合的分析，最終建議選取阻尼器的阻尼系數(shù)為3000，速度指數(shù)為0.5，E2地震作用下與無阻尼的情況相比南塔塔底彎矩減震率為30.0%，塔底剪力減震率為16.2%，塔頂位移減震率為44.3%，梁端位移減震率為70.1%。

（3）建議單個阻尼器的額定阻尼力取為1500 kN。

[1]MCDANIEL C.C.,SEIBLE F..Influence of inelastic tower links on cable-supported bridge response[J].Journal of Bridge Engineering,ASCE,2005,10(3):272-280.

[2]王浩，李愛群，郭彤.超大跨懸索橋地震響應(yīng)的綜合最優(yōu)控制研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006,33(3):6-10.

[3]張長青，耿波，曾嵩，等.云南普立懸索橋粘滯阻尼器參數(shù)研究[J].中外公路，2011,31(3):191-194.

[4]劉振宇，李喬，蔣勁松，等.南寧大橋粘滯阻尼器參數(shù)分析[J].橋梁建設(shè)，2007,（4）:25-28.

[5]韓萬水，黃平明，蘭燕.斜拉橋縱向設(shè)置粘滯阻尼器參數(shù)分析[J].地震工程與工程振動，2005,25(6):146-151.