黏滯阻尼器在某大跨度鋼桁架鐵路梁橋中的應(yīng)用研究

王冰，譚平，馬安財，周福霖

（廣州大學(xué)減震控制與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室培育基地，廣州510405）

黏滯阻尼器在某大跨度鋼桁架鐵路梁橋中的應(yīng)用研究

王冰，譚平，馬安財，周福霖

（廣州大學(xué)減震控制與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室培育基地，廣州510405）

以某大跨度的鐵路鋼桁架連續(xù)梁橋為工程背景，基于有限元軟件SAP2000建立其三維有限元模型，采用非線性動力時程分析方法分析了在罕遇地震作用下黏滯阻尼器對大跨度高墩連續(xù)鋼桁架梁橋的減震效果，研究了黏滯阻尼器參數(shù)對減震效果的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：通過對黏滯阻尼器的合理布置和參數(shù)優(yōu)化可以有效減小大跨鐵路橋梁的主梁位移和墩底內(nèi)力，顯著改善其強震下的抗震性能。

大跨鋼桁架梁橋；鐵路橋；消能減震；黏滯阻尼器；參數(shù)優(yōu)化

0 引言

隨著我國鋼材產(chǎn)量的增加以及施工技術(shù)的提高，在鐵路橋梁設(shè)計中開始較多的采用鋼結(jié)構(gòu)橋梁。由于鋼材具有強度高、材質(zhì)均勻、塑性及韌性良好和可焊性好等諸多優(yōu)點，因此，用鋼材建造的橋梁具有跨越能力大、適合工業(yè)化制造以及安裝速度快等特點。其中鋼桁架橋以其布置靈活，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點也較多的應(yīng)用到鐵路橋梁建設(shè)中[1]。大跨度橋梁比較明顯的特點是整體結(jié)構(gòu)剛度較柔，阻尼較低，對地震、風(fēng)及行車荷載較為敏感，因此需要振動控制。在各種振動控制技術(shù)中，阻尼器能夠針對大跨度橋梁阻尼低的特點，顯著提高結(jié)構(gòu)的阻尼，減震效果較好，得到廣泛的應(yīng)用。

液體黏滯阻尼器[2]是在工程中應(yīng)用比較廣泛和成熟的速度相關(guān)型阻尼器。黏滯阻尼器在橋梁工程中首次應(yīng)用于美國金門大橋的抗震加固[3]，此后國內(nèi)外科研人員開始從事這方面的研究，并在一些實際橋梁中進行了應(yīng)用與總結(jié)[4-6]。韓萬水[7]等通過對設(shè)置黏滯阻尼器斜拉橋縱向非線性地震反應(yīng)的分析，討論了黏滯阻尼器各參數(shù)對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。宋子威[8]等以杭州錢江鐵路新橋主橋為工程背景，研究了黏滯阻尼器在高速鐵路長聯(lián)大跨連續(xù)梁中的應(yīng)用。張超[9]等以一座懸索橋為工程背景，研究了黏滯阻尼器參數(shù)C和α的不同組合對該橋的關(guān)鍵部位內(nèi)力及變形影響規(guī)律并做了參數(shù)優(yōu)化。從以上也可以看出黏滯阻尼器在大跨度斜拉橋、懸索橋、混凝土連續(xù)梁橋中應(yīng)用較多，而在大跨度鋼桁架梁橋中則應(yīng)用的較少。

本文以某實際大跨高墩鋼桁架連鐵路續(xù)梁橋工程為背景，通過在墩頂與橋面之間設(shè)置黏滯阻尼器來增強該鐵路橋梁在大震下的地震安全性，研究黏滯阻尼器對大跨度鐵路橋梁的抗震性能影響規(guī)律，得到的相關(guān)結(jié)論對鐵路橋梁的設(shè)計具有重要的參考價值。

1 工程背景

該工程為跨度（108m+152m+249m+152m+ 108m）的鋼桁架橋，主橋從左向右依次為1#～4#墩，墩高分別為53m、149m、153m、53m。橋墩為C40混凝土空心雙柱式橋墩，雙柱之間設(shè)有交叉斜撐。該橋為變高度鋼桁架橋，跨中及邊支點處桁高16m，中支點處桁高36.0m，主桁中心間距為16m。主桁采用N型及K型桁架。車行道橋面板布置主桁上方，每個節(jié)間設(shè)置鋼橫梁5道，主桁下弦桿節(jié)間設(shè)置交叉式平聯(lián)。

圖1 地震波的時程和功率譜曲線Fig.1 Time-histories and power spectra curve of earthquake records

地震波選取了一條人工波和兩條天然波，其中人工波由地震安全性評價工作報告給出，天然波選取的是較為典型的EL Centro波和Taft波。地震波的時程和功率譜曲線如圖1所示。三條波的能量在頻率上分布都較為集中，主要分布在8Hz之內(nèi)。該橋梁的抗震設(shè)防烈度為7度，場地類型為Ⅱ類，罕遇地震波加速度峰值統(tǒng)一調(diào)整為0.227g?？紤]阻尼器的非線性對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響，采用非線性時程分析方法對結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)進行有限元分析。地震激勵采用縱向+橫向+豎向組合的輸入方式，其中豎向地震作用取水平地震作用值的0.65倍。

2 有限元模型及動力特性分析

2.1有限元模型

采用通用有限元軟件SAP2000建立該大跨鋼桁架橋梁結(jié)構(gòu)的有限元模型，其中上、下弦桿，斜撐，樁及墩柱等均采用三維空間梁單元模擬，橋面板采用殼單元模擬。黏滯阻尼器采用Damper單元的Maxwell模型模擬。二期恒載等效為線荷載均勻施加在主梁上，其動力分析模型如圖2所示。常規(guī)的抗震設(shè)計方案中，主梁與橋墩臺之間的約束形式平面圖如圖3所示。

圖2 動力分析模型Fig.2 Dynamic analysismodel

圖3 支座布置示意圖Fig.3 Sketchmap of bearings arrangement

考慮樁-土-結(jié)構(gòu)的相互作用，用Spring單元模擬樁結(jié)構(gòu)周圍土的抗力影響。根據(jù)m法[10]確定Spring單元的位置及剛度，樁基礎(chǔ)底部固結(jié)。

2.2結(jié)構(gòu)動力特性分析

橋梁有限元模型采用SAP2000內(nèi)置的子空間迭代法進行結(jié)構(gòu)動力特性分析，獲得了橋梁前100階自振頻率。限于篇幅，僅列出前10階結(jié)構(gòu)自振頻率及其對應(yīng)的振型說明，如表1所示。橋梁結(jié)構(gòu)的基本自振周期為5.35 s，屬于長周期類結(jié)構(gòu)。其自振頻率分布較均勻且密集，無跳躍現(xiàn)象。第一階振型為主梁縱飄，縱飄對橋梁結(jié)構(gòu)的縱向地震反應(yīng)貢獻比較大。

表1 橋梁自振頻率及振型特點Table 1 Natural frequencies and vibration modes of the bridge

3 阻尼器布置及參數(shù)優(yōu)化

液體黏滯阻尼器是通過高黏性的液體（如硅油）中活塞的運動來耗能，這種阻尼器能在較大的頻率范圍內(nèi)都呈現(xiàn)出比較穩(wěn)定的阻尼特性。典型的液體黏滯阻尼器的力學(xué)特性可由下式表述：

式（1）中，F(xiàn)：阻尼力；C：阻尼系數(shù)；α：阻尼指數(shù)；V：阻尼器兩端相對運動速度；阻尼力和最大沖程是阻尼器的主要指標(biāo)，而阻尼系數(shù)和阻尼指數(shù)是阻尼器控制作用大小的兩個關(guān)鍵參數(shù)[11]。阻尼指數(shù)α的取值一般在0.3～1.0之間，且α取值越小，滯回曲線越飽滿，耗能效果越明顯。阻尼系數(shù)C的取值則對阻尼力F的影響較大。

3.1阻尼器布置方案

鋼桁架橋在水平地震動作用下的主梁縱向位移和制動墩墩底內(nèi)力是橋梁抗震設(shè)計的主要控制目標(biāo)。在大跨度橋梁中，一般在活動墩墩頂和主梁之間設(shè)置阻尼器[12]，可使阻尼器獲得最大的變形?？紤]到橋墩為非規(guī)則高墩，在每個活動墩處各設(shè)置兩個黏滯阻尼器，橋臺處各設(shè)置兩個黏滯阻尼器，共設(shè)置10個黏滯阻尼器，其布置方案如圖4所示。

3.2阻尼器參數(shù)

圖4 黏滯阻尼器布置方案Fig.4 Arrangement scheme of fluid viscous dampers

從抗震的角度出發(fā)，實際工程應(yīng)用中一般取阻尼指數(shù)α=0.3～0.5，再選取阻尼系數(shù)C=2500～5 000 kN×（s/m）α進行試算，在此范圍內(nèi)可根據(jù)減震的具體目標(biāo)確定阻尼指數(shù)和阻尼系數(shù)。結(jié)合本例工程，阻尼指數(shù)α取值0.3、0.35、0.4、0.45、0.5，阻尼系數(shù)V取值2 500、3 000、3 500、4 000、4 500、5 000，共30個工況。在進行鋼桁架橋梁非線性時程分析中，選取以下構(gòu)件的內(nèi)力及位移響應(yīng)作為減震效果的評價依據(jù)：主要評估主梁的位移反應(yīng)，1～4#墩底的內(nèi)力反應(yīng)，以及黏滯阻尼器自身的阻尼力和變形。

4 結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析及參數(shù)優(yōu)化

4.1未設(shè)黏滯阻尼器

5跨連續(xù)鋼桁架橋，2#墩設(shè)置固定支座，其余墩設(shè)置滑動支座，不設(shè)阻尼器，順橋向罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面的動力響應(yīng)如表2所示：表2罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)。由表2可知：順橋向罕遇地震作用下，2#制動墩和3#滑動墩均承受了較大的內(nèi)力，與一般規(guī)則連續(xù)梁橋地震作用主要由制動墩承擔(dān)不太一樣，應(yīng)特別重視。由于3#滑動墩墩身較高，3#墩底彎矩和剪力和墩頂位移均較大，也需重點關(guān)注。1#和4#墩承受的地震作用則相差不大。此橋為鐵路橋，對橋梁的縱向位移要求較高且橋梁的一階模態(tài)為主梁縱飄，因此對縱橋向采取減震措施是非常有必要的。

表2 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)Table 2 Dynam ic responses of structures under rare earthquakes

4 設(shè)置黏滯阻尼器

由原橋抗震分析可知不同地震波對結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)差別較大，其中人工波作用下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)最大。以下為輸入人工波時黏滯阻尼器各參數(shù)對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響曲線。

由圖5～10可知：當(dāng)阻尼指數(shù)α一定時，2#固定墩墩底彎矩和剪力均隨著阻尼系數(shù)增大而減小且減小的幅值越來越小；3#滑動墩墩底彎矩和墩頂位移也是隨阻尼系數(shù)的增大而減小且減小的趨勢變緩，但剪力則減小到一定程度后又有上升的趨勢，說明阻尼器對剪力的控制效果下降；主梁位移則隨著阻尼系數(shù)的增大呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律。

4.3參數(shù)優(yōu)化

由于地震動具有隨機的特性，且不同的地震波對結(jié)構(gòu)的影響較大，輸入三條地震波，取主梁結(jié)構(gòu)反應(yīng)的包絡(luò)值，以此來確定最終的阻尼器參數(shù)。從大震作用關(guān)鍵構(gòu)件位移和內(nèi)力情況可以得出：2#和3#高墩墩底的內(nèi)力在給定阻尼指數(shù)α下隨著阻尼系數(shù)C的增大而減小，但減小的幅值不再明顯；主梁位移則在給定阻尼指數(shù)α下，存在一個最優(yōu)的阻尼系數(shù)C使得主梁位移最小。綜合主梁位移的大小、阻尼器的制作成本以及2#、3#墩底的內(nèi)力情況最終本規(guī)程推薦黏滯阻尼器參數(shù)為α=0.35，C=4 000。

5 減震效果

圖5 2#墩底彎矩與阻尼系數(shù)C關(guān)系Fig.5 Moment of bottom of 2#pier vs damper coefficient C

圖6 2#墩底剪力與阻尼系數(shù)C關(guān)系Fig.6 Base shears of 2#pier vs damper coefficient C

圖7 3#墩底彎矩與阻尼系數(shù)C關(guān)系Fig.7 Moment of bottom of 3#pier vs damper coefficient C

圖8 3#墩底剪力與阻尼系數(shù)C關(guān)系Fig.8 Base shears of 3#pier vs damping coefficient C

圖9 主梁位移與阻尼系數(shù)C關(guān)系Fig.9 Displacementof girder vs damping coefficient C

圖10 3#墩頂位移與阻尼系數(shù)C關(guān)系Fig.10 Top displacement of of 3#pier vs damping coefficient C

由于該橋在人工波作用下的動力響應(yīng)較兩條天然波的大很多，所以減震效果主要看人工波這一荷載工況?？v橋向罕遇地震人工波作用下3#墩頂處黏滯阻尼器的滯回曲線如圖11所示，曲線較為飽滿，耗能效果良好。該橋在順橋向人工波作用下減震前后的主梁位移時程如圖12所示。3種地震波工況下主梁順橋向減震前后位移如表3所示，位移減震效果較好。

圖11 黏滯阻尼器滯回曲線Fig.11 Hysteresis curves of fluid viscous damper

從表3可以看出：2條天然波作用下主梁的位移相差不大，但與人工波相比則相差較大。在以上地震荷載工況下，設(shè)置黏滯阻尼器后的結(jié)構(gòu)減震率為分別為71%、53%、47%，顯著減小了主梁在順橋向罕遇地震作用下的位移，效果比較明顯。

圖12 主梁順橋向位移時程Fig.12 Longitudinal displacementhistories of girder

圖13-14列出了縱橋向各橋墩減震前后的墩底內(nèi)力，可以看出未設(shè)阻尼器時，2#制動墩和3#滑動墩墩底彎矩和剪力均較大，設(shè)置黏滯阻尼器后1#、2#、3#、4#墩底彎矩減震率分別為55%、52%、46%、44%，墩底剪力減震率分別為55%、15%、41%、45%，顯著減小了2#、3#高墩的地震響應(yīng)。

表3 減震前后主梁位移Table 3 Disp lacement of girder of bridge w ith or w ithout viscous dampers

圖13 減震前后墩底彎矩Fig.13 Pier bottom moments of bridgewith orwithout viscous dampers

圖14 減震前后墩底剪力Fig.14 Pier base shears of bridgewith orwithout viscous dampers

6 結(jié)語

（1）大跨度高墩連續(xù)鋼桁架鐵路橋強震下順橋向地震反應(yīng)較大，通過在墩臺與橋面之間設(shè)置黏滯阻尼器后可有效增強鐵路橋梁在大震下的地震安全性。

（2）研究得到了黏滯阻尼器的阻尼指數(shù)α和阻尼系數(shù)C的不同組合對大跨高墩連續(xù)鋼桁架鐵路橋梁關(guān)鍵構(gòu)件位移及內(nèi)力的響應(yīng)規(guī)律。在α一定時，2#和3#墩底內(nèi)力隨著阻尼系數(shù)C的增大而減小，但減小的幅值逐漸變??；主梁位移則隨著阻尼系數(shù)C的增大先減小后增大。

（3）大跨度高墩連續(xù)鋼桁架鐵路橋當(dāng)合理設(shè)置黏滯阻尼器后，順橋向大震作用下主梁位移最大減震率為71%；2#和3#墩底彎矩最大減震率分別為52%和46%；2#和3#墩底剪力最大減震率分別為15%和41%，有效減小了該橋的主梁和高墩地震響應(yīng)。

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Application of Fluid Viscous Dam pers in a Long Span Steel Truss Girder Railway Bridge

WANG Bing，TAN Ping，MA Ancai，ZHOU Fulin

（Cultivation Base for State Key Laboratory of Seismic Control and Structural Safety,Guangzhou University，Guangzhou 510405，China）

This paper systematically studied a long span steel truss continuous railway bridge,which is a practical engineering,and built a 3D finite elementmodel for this bridge within the environment of SAP2000.A non-linear dynamic time-history analysismethod was conducted to investigate the control effectiveness of the installed viscous dampers upon this long span continuous steel truss girder railway bridge.Parameter optimization of viscous dampers is carried out to economically improve the performance of the railway bridge.The research results show that the displacement of girder and the internal force responses of pier bottom of the bridge can be reduced significantly by fluid viscous dampers on condition that the fluid viscous devices are of optimal placement and parameters,thus greatly enhance the safety of the high pier large span steel truss continuousbridge under rare earthquakes.

Long span steel truss bridge；Railway bridge；Energy dissipation system；Fluid viscous dampers; parameter optimization

TU352.12

A

1001-8662（2016）04-0104-07

10.13512/j.hndz.2016.04.016

王冰，譚平，馬安財，等.黏滯阻尼器在某大跨度鋼桁架鐵路梁橋中的應(yīng)用研究[J].華南地震，2016，36（4）：104-110.[WANG Bing，TAN Ping，MA Ancai，，et al.Application of Fluid Viscous Dampers in a Long Span Steel Truss Girder Railway Bridge[J].South china journal of seismology，2016，36（4）：104-110.]

2016-08-26

973計劃（2011CB013606），國家自然科學(xué)基金重點項目（1334209）

王冰（1990-），男，碩士研究生，主要從事結(jié)構(gòu)減震控制研究.

E-mail：bing_ce@163.com.