液體粘滯阻尼器對推遲橋梁進(jìn)入延性狀態(tài)的影響分析

于海滟

【摘 要】鑒于橋梁延性研究存在的困難及近年來減震裝置被廣泛的應(yīng)用，本文提出一種新的觀念，即盡量推遲甚至避免結(jié)構(gòu)在地震作用下進(jìn)入延性狀態(tài)，以確保結(jié)構(gòu)的安全。并分析了液體粘滯阻尼器裝置對于推遲結(jié)構(gòu)進(jìn)入延性狀態(tài)的影響情況，計(jì)算結(jié)果表明，阻尼器對推遲結(jié)構(gòu)進(jìn)入延性起到了顯著的效果。

【關(guān)鍵詞】橋梁延性抗震設(shè)計(jì)；減震裝置；液體粘滯阻尼器

【Abstract】In view of the difficulties of bridges ductility seismic research and the widespread use of damping devices in the past decades， we present a new notion which is in order to ensure bridges safety. The notion is trying to delay or even avoid the bridges into ductility state when they resisting seismic， and the influence of fluid viscous dampers for delayed bridges into ductility state is analyzed. The results show that the device plays a remarkable effect to delay bridges into ductility state.

【Keyword】Ductility Seismic Design of Bridge；Damping Devices；Fluid Viscous Dampers

1.前言

地震之所以造成橋梁結(jié)構(gòu)損壞甚至倒塌，是因?yàn)榈卣鹆Τ^了結(jié)構(gòu)的承載強(qiáng)度，或在地震作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生的位移（或變形）超出了其允許限值。理論上講，如果結(jié)構(gòu)的抗力大于預(yù)期可能發(fā)生的最大地震力或其允許位移（或變形）大于在該地震力作用下產(chǎn)生的最大位移（或變形），便不會(huì)發(fā)生破壞。但是，由于強(qiáng)震在橋梁正常使用年限內(nèi)是種罕遇事件，所以對于大量的普通橋梁結(jié)構(gòu)而言，純粹的用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來抵御強(qiáng)震作用，無疑是材料和資金的巨大消耗，因此，各國抗震規(guī)范中均采用了考慮橋梁結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)和減震裝置等來避免其在強(qiáng)震作用下發(fā)生倒塌破壞。

2.推遲結(jié)構(gòu)進(jìn)入延性的觀點(diǎn)

延性定義為在初始強(qiáng)度沒有明顯退化情況下的非彈性變形能力。它包括2個(gè)方面的能力：一是承受較大的非彈性變形，同時(shí)強(qiáng)度沒有明顯下降的能力；二是利用滯回特性吸收能量的能力[1]。延性抗震設(shè)計(jì)中很重要的一個(gè)理論，就是由新西蘭學(xué)者 Park 和 Paulay于1975年提出的能力保護(hù)設(shè)計(jì)思想[2-4]。其本質(zhì)是將橋墩作為延性構(gòu)件，合理選擇延性橋墩上塑性鉸出現(xiàn)的位置，以犧牲延性構(gòu)件為代價(jià)來保證能力構(gòu)件（上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)）處于彈性工作狀態(tài)。我國規(guī)范《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T B02-01-2008）[5]中也引入了能力保護(hù)設(shè)計(jì)原則。

在過去的地震災(zāi)害中，已發(fā)現(xiàn)城市高架橋或公路上梁橋的鋼筋混凝土墩柱的屈曲、開裂，混凝土剝落、壓潰、剪斷，鋼筋裸露斷裂等震害。橋梁作為交通工程上的重要樞紐，一旦在地震中發(fā)生損壞，修復(fù)周期長，工作量大，會(huì)為震后的救援工作帶來極大的困難。因此，在橋梁設(shè)計(jì)之初，需要充分考慮到結(jié)構(gòu)的抗震要求，盡量避免地震中結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌。在汶川地震和玉樹地震中，就出現(xiàn)了許多結(jié)構(gòu)的脆性破壞。

近幾十年，雖然學(xué)者們對結(jié)構(gòu)延性進(jìn)行了大量的研究，然而結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性后的性能及耗能情況變得相對復(fù)雜，無規(guī)律可循，這對結(jié)構(gòu)延性的相關(guān)研究造成了很大的困難，無法得到精確的研究結(jié)果。這使得目前普遍應(yīng)用的延性抗震準(zhǔn)則存在著缺陷，并難以改進(jìn)。所以我們提倡盡量推遲甚至避免結(jié)構(gòu)進(jìn)入延性狀態(tài)的理念，從根本上保證結(jié)構(gòu)在地震中的安全。

本文將采用一種新的減震技術(shù)——液體粘滯阻尼器，針對其對于推遲結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性的效果進(jìn)行計(jì)算分析。這種液體粘滯阻尼器，因其自身幾乎沒有剛度，所以在正常狀態(tài)下對結(jié)構(gòu)本身的屬性不會(huì)產(chǎn)生任何影響，只在震動(dòng)發(fā)生時(shí)起到減震耗能作用。經(jīng)過計(jì)算，我們還得出，液體粘滯阻尼器對于延長結(jié)構(gòu)彈性狀態(tài)、推遲其進(jìn)入延性狀態(tài)具有非常顯著的效果。

3.阻尼器簡介

液體粘滯阻尼器從原理上不難理解：活塞隨著結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞頭向一邊運(yùn)動(dòng)，內(nèi)設(shè)硅油受到擠壓，對活塞產(chǎn)生反向粘滯力。同時(shí)，硅油從活塞頭上的小孔向活塞頭的另一端流去，使活塞的受力逐步減少。其基本關(guān)系式為[6]：

這里，F(xiàn)–阻尼力；C–阻尼系數(shù)；α-速度指數(shù)；

4.算例概況

4.1 模型參數(shù)

本文選取在汶川地震中發(fā)生破壞的某連續(xù)梁橋中的一聯(lián)作為分析對象，跨度為（25×4）m。梁為箱型等截面，梁高1.6m，梁體采用C50混凝土；雙柱墩，墩高7.5m，直徑1.4m，墩身采用C30混凝土；橋墩從左到右依次編號(hào)，3#墩為固定墩，其余均為滑動(dòng)墩。模型基階自振周期為1.156s。

4.2 橋墩承載力計(jì)算

鑒于本文的主要研究內(nèi)容為阻尼器對于推遲結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性的效果分析，且僅針對順橋向分析，所以文中以墩底塑性鉸的發(fā)展趨勢為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

在墩頂施加順橋向推力進(jìn)行pushover分析，得到每個(gè)墩柱底部塑性鉸的發(fā)展趨勢?，F(xiàn)以3#墩為例，其力—位移曲線如圖4-1所示（橫軸為墩頂位移，縱軸為墩頂推力）。A點(diǎn)代表鉸的屈服，在A點(diǎn)之前，鉸內(nèi)無變形，結(jié)構(gòu)為彈性狀態(tài)，A點(diǎn)對應(yīng)推力為792kN；當(dāng)?shù)竭_(dá)B點(diǎn)時(shí)，鉸開始失去承載力，即B點(diǎn)為結(jié)構(gòu)極限承載力，在A-B段結(jié)構(gòu)處于塑性狀態(tài)，B點(diǎn)對應(yīng)推力為870 kN；C點(diǎn)為pushover分析后的殘余強(qiáng)度。

圖4-2為墩柱底部塑性鉸處彎矩隨墩頂推力步數(shù)的變化情況（施加在墩頂?shù)耐屏σ徊讲皆龃?，直至結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性，然后倒塌）。B點(diǎn)為屈服彎矩，對應(yīng)值5503kN·m；C點(diǎn)為極限彎矩，對應(yīng)值6058 kN·m。

用UCFyber軟件對墩柱截面進(jìn)行彎矩-曲率（M～Φ）分析校核。將每個(gè)墩柱底所受到的沿橋墩軸向的力分別施加在墩柱截面上，通過計(jì)算，得到其彎矩-曲率（M～Φ）曲線，如圖4-3所示。修正的屈服彎矩為5562kN·m，極限彎矩為6057 kN·m，與pushover計(jì)算的結(jié)果基本相符。

以上曲線和數(shù)值均為3#墩計(jì)算結(jié)果。以同樣的計(jì)算和校核方法得到，1#和5#墩的屈服彎矩為5059 kN·m，極限彎矩為5605 kN·m；2#和4#墩的屈服彎矩為5814kN·m，極限彎矩為6290 kN·m。

5.阻尼器對橋梁延性影響的探討

選用汶川地震中的一條地震動(dòng)記錄作為輸入，其峰值為802.713 cm/s2。對比加設(shè)阻尼器前、后結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，進(jìn)而分析阻尼器對結(jié)構(gòu)安全性能的影響。著重討論阻尼器對于結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性時(shí)所對應(yīng)的地震動(dòng)峰值的變化趨勢。

5.1 加設(shè)阻尼器前、后結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)對比

在2#和4#墩頂和主梁間設(shè)置液體粘滯阻尼器，數(shù)量為4個(gè)，沿順橋向安放。阻尼系數(shù)為C=3000 （kN/（m/s） α），速度指數(shù)α=1。

由上表可以看出，加設(shè)阻尼器后，3#固定墩的墩頂位移和墩底彎矩都有顯著減小，減震率幾乎達(dá)到50%；而安放了阻尼器的2#滑動(dòng)墩，其墩頂位移和墩底彎矩都有一定程度增大，但仍遠(yuǎn)小于其屈服彎矩，處于安全狀態(tài)，且其墩、梁相對位移減小了56.7%，由25.2mm減小到10.9mm；未安放阻尼器的1#滑動(dòng)墩的墩頂位移和墩底彎矩沒有變化，其地震響應(yīng)仍然很小，但1#墩的墩、梁相對位移有明顯減小，減振率達(dá)到37.0%；設(shè)置阻尼器后，3#墩頂固定支座的順橋向受力也相應(yīng)減少，由791.8kN減小到394.1kN，減小率為50.2%。以上結(jié)論說明，在地震動(dòng)作用下，阻尼器起到了分散和重新分配結(jié)構(gòu)受力的效果，使結(jié)構(gòu)的響應(yīng)更加平衡，從而保護(hù)其性能安全。此時(shí)，阻尼器出力為209kN。

5.2 加設(shè)阻尼器前、后結(jié)構(gòu)屈服情況對比

加設(shè)阻尼器后，結(jié)構(gòu)屈服的地震動(dòng)峰值由190cm/s2增大到380cm/ cm/s2，兩種情況下均是3#橋墩底部塑性鉸區(qū)彎矩首先達(dá)到屈服值，表示3#橋墩開始進(jìn)入塑性，而其它橋墩仍處于彈性狀態(tài)。但與未設(shè)置阻尼器時(shí)不同的是，1#和2#橋墩的墩頂位移和墩底彎矩都有增大，放置了阻尼器的2#橋墩的墩、相對位移呈減小趨勢，而未設(shè)置阻尼器的1#滑動(dòng)墩的墩、梁相對位移略有增加，變化不明顯。下表為加設(shè)阻尼器前、后結(jié)構(gòu)達(dá)到彈性極限、開始進(jìn)入塑性狀態(tài)的臨界點(diǎn)的地震響應(yīng)情況的比較。

從上表中可以看出，1#和2#橋墩的墩底彎矩分別達(dá)到了1087 kN·m 和3383 kN·m，雖然較未設(shè)置阻尼器前結(jié)構(gòu)的彈性極限狀態(tài)下有很大程度的增加，但此時(shí)的彎矩值仍小于它們的屈服彎矩5059 kN·m 和5814 kN·m，表明兩墩仍處于彈性狀態(tài)。且通過加設(shè)阻尼器，更好的平衡了結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，使結(jié)構(gòu)的有效利用率大大增加。

設(shè)置阻尼器后，達(dá)到屈服狀態(tài)時(shí)，固定墩墩頂?shù)氖芰^未設(shè)置阻尼器時(shí)屈服狀態(tài)下的受力有略微的減小，由之前的792kN變?yōu)?88kN，這說明設(shè)置阻尼器，對原結(jié)構(gòu)的性能不會(huì)產(chǎn)生影響。

6.結(jié)論

通過對橋梁模型在地震荷載作用下時(shí)程分析結(jié)果的總結(jié)與分析，可得到以下結(jié)論：

1、加設(shè)阻尼器后，結(jié)構(gòu)屈服的地震動(dòng)峰值由190cm/s2增大到380cm/ cm/s2，說明阻尼器對推遲結(jié)構(gòu)進(jìn)入延性起到了顯著的效果；

2、加設(shè)阻尼器后，固定墩的墩頂位移和墩底彎矩都有顯著的減小，其墩頂固定支座的順橋向受力也相應(yīng)減少，說明阻尼器有效的分散和消減了固定墩處的受力；

3、安放了阻尼器的滑動(dòng)墩，墩頂位移和墩底彎矩都有一定程度增大，但仍遠(yuǎn)小于其屈服彎矩，處于安全狀態(tài)，而其墩、梁相對位移卻顯著減小；沒有安放阻尼器的滑動(dòng)墩的墩頂位移和墩底彎矩沒有變化，其地震響應(yīng)仍然很小，但墩、梁相對位移有明顯減?。灰陨辖Y(jié)論說明，在地震動(dòng)作用下，阻尼器起到了分散和重新分配結(jié)構(gòu)受力的效果，使結(jié)構(gòu)的響應(yīng)更加平衡，從而保護(hù)其性能安全；

4、加設(shè)阻尼器后，屈服時(shí)滑動(dòng)墩的墩頂位移和墩底彎矩都較未設(shè)置阻尼器時(shí)增大，但仍處于彈性狀態(tài)；放置了阻尼器的滑動(dòng)墩的墩、梁相對位移呈減小趨勢，而未設(shè)置阻尼器的滑動(dòng)墩的墩、梁相對位移略有增加，變化不明顯；這說明通過加設(shè)阻尼器，更好的平衡了結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，使結(jié)構(gòu)的有效利用率大大增加；

5、放置了阻尼器的橋墩底部彎矩時(shí)程曲線較未放置阻尼器的橋墩清晰，這說明放置了阻尼器的橋墩的地震響應(yīng)沒有其它橋墩激烈，進(jìn)而證明了阻尼器使其地震響應(yīng)得到了很好的緩沖；

6、設(shè)置阻尼器后，達(dá)到屈服狀態(tài)時(shí)，固定墩墩頂?shù)氖芰^未設(shè)置阻尼器時(shí)屈服狀態(tài)下的受力僅有微小變動(dòng)，這說明設(shè)置阻尼器，對原結(jié)構(gòu)的性能幾乎不會(huì)產(chǎn)生影響；

7、本文建議：規(guī)范中對于使用減震裝置后，結(jié)構(gòu)應(yīng)達(dá)到的減震率標(biāo)準(zhǔn)給予相應(yīng)的規(guī)定，以便檢驗(yàn)減震裝置所發(fā)揮的效用，并指導(dǎo)減震裝置的合理性使用。

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