混凝土梁斜拉橋粘滯阻尼器參數(shù)分析

杜世界

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，橋梁工程的建設(shè)技術(shù)也在日新月異地進(jìn)步，跨江跨海的斜拉橋修建得越來(lái)越多。這些橋梁一般都占據(jù)著交通網(wǎng)絡(luò)樞紐的重要位置，是交通生命線的重要組成部分。從近幾年來(lái)發(fā)生在世界各地的地震震害來(lái)看，處于交通網(wǎng)絡(luò)樞紐的重要橋梁一旦發(fā)生破壞將導(dǎo)致更為嚴(yán)重的次生災(zāi)害[1,2]。因此，如何提高這類(lèi)橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能一直是工程技術(shù)人員研究的重點(diǎn)。近年來(lái)，通過(guò)設(shè)置粘滯阻尼器來(lái)改善斜拉橋的抗震性能正在成為一個(gè)研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)，并在許多實(shí)際工程實(shí)例中進(jìn)行應(yīng)用[3,4]。這些工程實(shí)例多為跨徑400 m以上的斜拉橋，主梁多采用鋼梁或鋼-混凝土組合梁。對(duì)于斜拉橋來(lái)說(shuō)，400 m以下跨徑一般采用混凝土主梁相對(duì)更為經(jīng)濟(jì)?；炷林髁盒崩瓨蛄后w質(zhì)量較大，在地震作用下可能產(chǎn)生更大的地震響應(yīng)。而在國(guó)內(nèi)，就粘滯性阻尼器在混凝土主梁斜拉橋結(jié)構(gòu)抗震中的應(yīng)用所開(kāi)展的參數(shù)研究還比較少。本文以某越江大跨度混凝土斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，研究通過(guò)在縱橋向設(shè)置粘滯阻尼器來(lái)提高該橋縱橋向抗震性能，并就阻尼器的參數(shù)確定進(jìn)行分析，得到的參數(shù)變化規(guī)律可供該類(lèi)工程應(yīng)用參考。

1 非線性粘滯阻尼器

典型的粘滯阻尼器如圖1所示。液體粘滯阻尼器設(shè)計(jì)一般采用雙出桿油缸式結(jié)構(gòu)，由缸體、導(dǎo)桿、活塞、阻尼孔、粘滯流體阻尼材料組成。活塞在缸筒內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞上有適量的小孔成為阻尼孔，缸筒內(nèi)裝滿(mǎn)粘滯流體阻尼材料?；钊耐鶑?fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)內(nèi)部硅油的流動(dòng)，分子產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)不可恢復(fù)，分子之間產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成熱能；另外內(nèi)部流體與固態(tài)缸體表面的摩擦力轉(zhuǎn)換成熱能，這樣將地震能轉(zhuǎn)化為分子熱能，進(jìn)而產(chǎn)生阻尼效果，達(dá)到耗能的目的[5]。

圖1 粘滯阻尼器構(gòu)造圖

粘滯阻尼器同其他減隔震裝置相比，其優(yōu)點(diǎn)在于：（1）阻尼器內(nèi)置為液體，本身沒(méi)有可計(jì)算的剛度，不影響整個(gè)結(jié)構(gòu)原有的設(shè)計(jì)和計(jì)算（如周期，振型等），也就不會(huì)產(chǎn)生預(yù)想不到的副作用；（2）安置在結(jié)構(gòu)上的粘滯阻尼器在最大位移的狀態(tài)下受力為零，最大受力情況下位移為零，這一性能對(duì)減小結(jié)構(gòu)反應(yīng)十分有利；（3）粘滯阻尼器既可以降低地震反應(yīng)中的結(jié)構(gòu)受力也可以降低反應(yīng)位移。

粘滯阻尼器的阻尼力與相對(duì)變形可通過(guò)下列公式求得[6]：

其中：F為阻尼力，以k N為單位計(jì)；V為阻尼器沖程速度，以m/s為單位計(jì)；α為阻尼指數(shù)，對(duì)于粘滯性阻尼器，一般取用0.2～2.0范圍；C為阻尼系數(shù)，其單位為kN，即在1 m/s的基準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)相對(duì)速度下粘滯阻尼器產(chǎn)生的阻尼力。

粘滯阻尼器的阻尼力-速度關(guān)系曲線如圖2所示，當(dāng)α=1時(shí)稱(chēng)為線性阻尼；當(dāng)α＜1時(shí)稱(chēng)為非線性阻尼，在速度較小時(shí)即可產(chǎn)生較大的阻尼力，而當(dāng)速度較大時(shí)，阻尼力的增幅則較??；當(dāng)α＞1時(shí)稱(chēng)為鎖阻尼，情況與α＜1時(shí)恰好相反，速度較小時(shí)，阻尼器的阻尼力很小，而當(dāng)速度較大時(shí)，阻尼力的增加也很快。在橋梁抗震設(shè)計(jì)中，這三種阻尼裝置均有應(yīng)用，對(duì)于線性阻尼和非線性阻尼，其阻尼力與位移的滯迴曲線比較飽滿(mǎn)，其減震原理為對(duì)地震能量進(jìn)行耗散；對(duì)于鎖阻尼，其主要作用是對(duì)安裝滑動(dòng)支座的橋墩在地震作用下墩梁相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度超過(guò)一定閾值時(shí)進(jìn)行鎖定，形成多個(gè)固定支座后使地震作用平均分配到各個(gè)橋墩。對(duì)于雙塔斜拉橋來(lái)說(shuō)，其結(jié)構(gòu)慣性質(zhì)量大，振動(dòng)周期長(zhǎng)，地震作用輸入結(jié)構(gòu)體系的能量巨大，且其結(jié)構(gòu)體系一般為漂浮或半漂浮體系，各索塔本身即為共同承受地震作用，采用粘滯阻尼器的主要目的則是耗散地震作用產(chǎn)生的巨大能量，因此通常采用線性阻尼和非線性阻尼。

圖2 粘滯阻尼器阻尼力-速度關(guān)系曲線圖

2 工程背景

2.1 工程概況

某越江大跨度混凝土斜拉橋位于上海市西南片區(qū)，是區(qū)際公路干線上一個(gè)的重要越江工程節(jié)點(diǎn)，大橋?yàn)橹骺?96 m的雙塔雙索面半漂浮體系斜拉橋，橋梁跨徑組合為48+77+296+77+48=546（m）。橋面寬度34.6 m，H型鋼筋混凝土橋塔，承臺(tái)以上塔高92.2 m，橋面以上塔高76 m。主梁標(biāo)準(zhǔn)截面采用預(yù)應(yīng)力混凝土雙主肋斷面，主梁寬度34.6 m，頂面在車(chē)行道范圍內(nèi)設(shè)2.0%雙向橫坡，布索區(qū)和人非混行道為平坡。主梁中心高度2.8 m，主梁肋處梁高2.55 m，主梁梁高全橋不變。橋梁總體布置圖和主梁橫斷面尺寸如圖3、圖4所示。

圖3 某越江大跨度混凝土斜拉橋總體布置圖

2.2 計(jì)算模型

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的總體構(gòu)造，建立了結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性與地震反應(yīng)分析的三維有限元模型，如圖5所示。其中，主梁、索塔、邊墩和輔助墩均采用空間梁?jiǎn)卧M；斜拉索采用空間桁架單元模擬，并考慮由于垂度效應(yīng)引起的幾何剛度影響；樁基礎(chǔ)考慮以m法計(jì)算索塔、橋墩基礎(chǔ)的地基剛度，考慮樁基的彎剪耦合效應(yīng)，以6×6彈性地基剛度矩陣進(jìn)行模擬。粘滯阻尼器的力學(xué)特性則采用專(zhuān)門(mén)的單元以Maxwell模型進(jìn)行模擬.

2.3 地震輸入

結(jié)構(gòu)地震輸入采用該斜拉橋新建工程的場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告提供的地震動(dòng)參數(shù)。該報(bào)告對(duì)于各種概率水準(zhǔn)的地震作用均提供4組人工合成水平向和豎向地震動(dòng)加速度時(shí)程。本文闡述的均以地震超越概率為50 a2%（地震重現(xiàn)期2 450年）的4組地震動(dòng)加速度時(shí)程進(jìn)行分析，并對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)取包絡(luò)值進(jìn)行研究。其中一條地震波的加速度時(shí)程與其3%阻尼比的加速度反應(yīng)譜如圖6、圖7所示。

3 阻尼器參數(shù)分析

根據(jù)對(duì)粘滯阻尼器力學(xué)性能的介紹與分析可知，當(dāng)粘滯阻尼器的參數(shù)選取不同時(shí)，粘滯阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)的影響也不相同。因此，需要考慮對(duì)阻尼器的阻尼參數(shù)和阻尼指數(shù)進(jìn)行敏感性分析。研究這些參數(shù)變化對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響的變化規(guī)律，為粘滯阻尼器設(shè)計(jì)參數(shù)的確定提供依據(jù)。

通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)體系的仔細(xì)考慮，根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，為使梁體、索塔受力對(duì)稱(chēng)均衡，該橋在每個(gè)索塔與主梁間設(shè)置4個(gè)縱向粘滯性阻尼器進(jìn)行減震，全橋共設(shè)置8個(gè)阻尼器。以上文所述的4組地震加速度時(shí)程進(jìn)行非線性時(shí)程分析，分析工況見(jiàn)表1所列。

圖4 主梁橫斷面構(gòu)造圖

圖5 結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析模型

圖6 地震波加速度時(shí)程圖示

圖7 地震波反應(yīng)譜

表1 阻尼器參數(shù)分析工況一覽表

綜合考慮結(jié)構(gòu)各個(gè)關(guān)鍵部位響應(yīng)量的情況,一方面利用阻尼器降低結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的位移，避免結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的碰撞破壞，同時(shí)又考慮利用阻尼器降低結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的內(nèi)力響應(yīng)，通過(guò)比較分析這些響應(yīng)量來(lái)確定粘滯阻尼器的合理參數(shù)。具體的計(jì)算結(jié)果及其隨阻尼器參數(shù)變化的規(guī)律見(jiàn)圖8～圖13所示。

圖8 主梁梁端位移曲線圖

圖9 索塔塔頂位移曲線圖

圖10 索塔塔底彎矩曲線圖

圖11 索塔塔底剪力曲線圖

圖12 塔梁間相對(duì)位移曲線圖

圖13 阻尼器最大阻尼力曲線圖

圖8、圖9所示為不同阻尼器參數(shù)情況下主梁梁端與索塔塔頂最大位移的變化規(guī)律。從圖中可以看出：在不設(shè)縱橋向阻尼器時(shí)，結(jié)構(gòu)在地震重現(xiàn)期為2450年水準(zhǔn)的地震作用下，主梁梁端與索塔塔頂產(chǎn)生了很大的位移，分別達(dá)到了1.06 m和1.25 m。主梁梁端的大位移將造成結(jié)構(gòu)碰撞，從而引起結(jié)構(gòu)損傷，塔頂過(guò)大的位移也將增大P-△效應(yīng)，從而增大索塔塔底的彎矩，使索塔結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)更為不利。當(dāng)設(shè)置了阻尼器后，主橋縱橋向設(shè)置的粘滯性阻尼器有效地耗散結(jié)構(gòu)在地震作用下的輸入能量，主梁梁端與索塔塔頂?shù)淖畲笪灰凭陆抵猎瓉?lái)的20%～60%，當(dāng)阻尼參數(shù)C一定時(shí)，主梁梁端與索塔塔頂位移均隨阻尼指數(shù)α的減小而逐漸減小，當(dāng)阻尼指數(shù)α一定時(shí)，梁端與塔頂?shù)奈灰凭S阻尼系數(shù)C的增大而逐漸減小，這表明，當(dāng)阻尼系數(shù)C取大值，阻尼指數(shù)α取小值時(shí)，粘滯阻尼器能夠更好地發(fā)揮耗散地震輸入能量的能力，得到更好的減震效果。

圖10、圖11所示為不同阻尼器參數(shù)情況下索塔塔底彎矩、塔底剪力的變化規(guī)律。從圖中可以看出：當(dāng)設(shè)置了主橋縱橋向阻尼器后，索塔塔底彎矩均有了大幅度的下降。對(duì)于不同參數(shù)的粘滯阻尼器，索塔塔底彎矩減小至不設(shè)阻尼器工況下索塔塔底彎矩的30%～60%。與位移變化趨勢(shì)相同，索塔塔底彎矩隨阻尼指數(shù)α的減小而逐漸減小，隨阻尼系數(shù)C的增大而逐漸減小，在阻尼系數(shù)為20 00～3 000范圍內(nèi)，塔底彎矩衰減較快，隨后趨于平緩。索塔塔底剪力變化趨勢(shì)與塔底彎矩的變化趨勢(shì)相近，不同之處在于，與不設(shè)阻尼器的工況相比，設(shè)置不同參數(shù)的粘滯阻尼器后，索塔塔底剪力水平基本相當(dāng)，差異僅僅在±10%以?xún)?nèi)。分析其原因在于：主橋縱向設(shè)置了粘滯阻尼器后，一方面使得地震作用下主梁的縱橋向水平慣性力主要傳遞途徑由拉索→索塔→基礎(chǔ)改變?yōu)檎硿枘崞鳌魉A(chǔ)，降低了慣性力的作用點(diǎn)，減小了慣性力對(duì)于基礎(chǔ)的力臂，從而減小了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)承受的彎矩；另一方面，粘滯阻尼器的設(shè)置有效地減小索塔的地震位移響應(yīng)，索塔內(nèi)P-△效應(yīng)減小，同樣也減小了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)承受的彎矩。而索塔塔底剪力則主要由地震作用下結(jié)構(gòu)的慣性力貢獻(xiàn)。由于設(shè)置阻尼器后并不改變結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期，因此地震加速度響應(yīng)變化并不十分顯著，結(jié)構(gòu)慣性力差異也不大，與不設(shè)阻尼器的情況相比，設(shè)置不同參數(shù)的阻尼器后索塔塔底剪力相差不大。

圖12、圖13所示為不同阻尼器參數(shù)情況下塔梁間縱向相對(duì)位移（阻尼器所需要的最大行程）和阻尼器阻尼力的變化規(guī)律，從圖中可以看出：塔梁間相對(duì)位移隨著阻尼器阻尼系數(shù)C的增大而減小，隨阻尼指數(shù)α的減小而減小。而阻尼器阻尼力的變化規(guī)律則與之相反，隨著阻尼參數(shù)的增大，阻尼力也逐漸增大，隨阻尼指數(shù)α的增大而逐漸減小。

從阻尼器參數(shù)的分析可知，當(dāng)阻尼系數(shù)C取大值，阻尼指數(shù)α取小值時(shí)，粘滯阻尼器能夠更好地發(fā)揮耗散地震輸入能量的能力，得到更好的減震效果。但這并不意味著在進(jìn)行阻尼器參數(shù)的選擇時(shí)即可簡(jiǎn)單使用這一原則。阻尼器參數(shù)的選擇往往需要綜合考慮各種因素進(jìn)行。既需要使得阻尼器的設(shè)置能更為有效地耗散地震輸入能量，又應(yīng)控制結(jié)構(gòu)位移，能與結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)相適應(yīng)，同時(shí)還降低使得阻尼器制作加工和安裝難度。就阻尼指數(shù)α來(lái)說(shuō)，當(dāng)其數(shù)值越小時(shí)，阻尼器在結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度較低時(shí)即能提供較大的阻尼力，其減震效果越好，故一般可采用較小值；阻尼系數(shù)C的增大則顯著提高阻尼力的水平，阻尼力的增大一方面造成阻尼器質(zhì)量體積增大，從而提高了阻尼器制作加工的要求和施工安裝的難度，另一方面也提高了其與塔、梁連接部位的強(qiáng)度要求。故應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)位移控制要求，來(lái)確定阻尼系數(shù)C的取值。

該工程綜合考慮梁端位移、阻尼器行程范圍和最大阻尼力等各種因素。結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在每個(gè)索塔與主梁間設(shè)置4個(gè)縱向粘滯性阻尼器進(jìn)行減震，全橋共設(shè)置8個(gè)阻尼器。每個(gè)阻尼器的參數(shù)選擇為C=2 300 kN，阻尼指數(shù)采用α=0.2。設(shè)置了所選擇的粘滯性阻尼器后，結(jié)構(gòu)主要地震反應(yīng)列于表2。結(jié)果表明阻尼器的設(shè)置使得塔底的彎矩、塔頂和梁端位移均降至40%，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。

表2 結(jié)構(gòu)主要地震反應(yīng)一覽表

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)該越江大跨度混凝土斜拉橋粘滯性阻尼器的參數(shù)分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）在主橋縱橋向設(shè)置粘滯性阻尼器，可以有效地耗散結(jié)構(gòu)在地震作用下的輸入能量，從而減小主橋索塔塔頂、主梁梁端及塔上支座處的縱向位移，從而可以避免或減輕碰撞引起的結(jié)構(gòu)損傷。

（2）在該橋縱向設(shè)置粘滯性阻尼器，可以使得地震作用下主梁的縱橋向水平慣性力傳遞途徑由拉索→索塔→基礎(chǔ)改變?yōu)檎硿枘崞鳌魉A(chǔ)，降低了慣性力的作用點(diǎn)，減小了慣性力對(duì)于基礎(chǔ)的力臂，從而減小了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)承受的彎矩。塔底剪力變化幅度不大。

（3）在不同參數(shù)的阻尼器情況下，塔底彎矩、塔梁相對(duì)位移的變化規(guī)律相似，即當(dāng)阻尼指數(shù)一定時(shí)，隨著阻尼系數(shù)的增大，塔底彎矩、塔梁相對(duì)位移均相應(yīng)減??；當(dāng)阻尼系數(shù)一定時(shí)，隨著阻尼指數(shù)的增大，塔底彎矩、塔梁相對(duì)位移均相應(yīng)增大。阻尼器阻尼力的變化規(guī)律則與之相反.

（4）阻尼器的選取應(yīng)綜合考慮梁端位移、阻尼器行程范圍和最大阻尼力等各種因素。結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，該橋粘滯阻尼器可設(shè)置8個(gè)，每個(gè)阻尼器的參數(shù)選擇為C=2 300 kN，阻尼指數(shù)采用α=0.2。

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