粘滯阻尼器參數(shù)在連續(xù)梁橋地震反應(yīng)中的響應(yīng)分析

劉軍泉

（蘭州鐵道設(shè)計院有限公司，甘肅蘭州730000）

粘滯阻尼器參數(shù)在連續(xù)梁橋地震反應(yīng)中的響應(yīng)分析

劉軍泉

（蘭州鐵道設(shè)計院有限公司，甘肅蘭州730000）

摘要：結(jié)合甘肅某高速公路一連續(xù)梁橋為背景建立Midas有限元分析模型，采用非線性動力時程分析法進(jìn)行地震響應(yīng)分析；在設(shè)置粘滯阻尼器后通過采用不同的阻尼系數(shù)組合工況對受到地震波作用的橋梁結(jié)構(gòu)，對其墩底內(nèi)力和梁端位移進(jìn)行分析比對，得出論述當(dāng)中實(shí)際橋梁工程案例設(shè)置粘滯阻尼器的最優(yōu)阻尼系數(shù)，分析比較設(shè)置阻尼器前后的減振效果。結(jié)果表明，粘滯阻尼器在連續(xù)梁橋的抗震設(shè)計中有優(yōu)越的性能，對梁端的位移、固定墩墩底剪力和固定墩墩底的彎矩明顯減?。蛔枘崞鞯牟贾梅桨笇蛄嚎拐鹦阅苡绊戄^為明顯。

關(guān)鍵詞：連續(xù)梁橋；粘滯阻尼器；阻尼參數(shù)；時程分析

DOI10.3969/j.issn.1672-6375.2016.03.019

1　概述

近年來，地震等特大自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，已經(jīng)給世界人民帶來特別大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，提高建筑結(jié)構(gòu)整體的抗震性能已經(jīng)成為很重要的研究方向。橋梁的抗震以及減隔振裝置的設(shè)計和使用已經(jīng)成為必然趨勢。新建或者籌劃當(dāng)中的橋梁，就必須要對其在未可預(yù)知的外來荷載作用下的整體穩(wěn)定性做出評估，并給出相應(yīng)的預(yù)防和防范措施。在諸多措施當(dāng)中，研究較多、應(yīng)用工程案例比較成功的當(dāng)屬阻尼器，粘滯阻尼器是業(yè)界比較推崇的一種減隔振裝置。

目前，我國在這一領(lǐng)域起步晚且應(yīng)用相對落后，粘滯阻尼器的研究和應(yīng)用還在不斷地探索實(shí)踐中。蘇通長江大橋在設(shè)計中考慮使用了粘滯阻尼器，這是我國在限位粘滯阻尼器應(yīng)用當(dāng)中的第一次。相繼金塘大橋和青島海灣大橋以及我國為印尼援建的馬杜拉大橋［1］上都采用了粘滯阻尼器這一減隔振裝置。

本論述擬以有限元模擬為基礎(chǔ)，結(jié)合理論分析，通過結(jié)構(gòu)阻尼可以改善結(jié)構(gòu)的動力性能，將粘滯阻尼器安裝于連續(xù)梁橋，進(jìn)行在地震波作用下的響應(yīng)量對比分析。通過大量的對比分析得出，粘滯阻尼器的阻尼參數(shù)組合和阻尼器的布置方案對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響較為明顯，得出粘滯阻尼器在橋梁工程減隔震研究領(lǐng)域的優(yōu)越性［2，3］。

2　工程背景介紹

本論述以蘭州某繞城高速周巖坪段某規(guī)劃建設(shè)大橋為工程背景，見圖1所示。本橋全長為279.84m。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：設(shè)計荷載等級：公路-Ⅰ級；橋梁設(shè)計洪水頻率：1/100；橋面全寬：30 m（3+凈24+3 m）；橋梁的跨度組合為39.92 m+5×40 m+39.92 m；地震動峰值加速度：0.10 g；坐標(biāo)系：西安80抵償坐標(biāo)系；高程系：1985年國家高程基準(zhǔn)環(huán)境類別：Ⅱ類環(huán)境；設(shè)計基準(zhǔn)期為100年；設(shè)計安全等級為一級；本橋梁抗震設(shè)防類別為B類；根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2001）確定，本項目區(qū)地震動峰值加速度為0.10 g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.20 s；根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010），工程抗震設(shè)防烈度為7度、設(shè)計地震分組為第二組；抗震設(shè)防措施等級8級。上部結(jié)構(gòu)采用40 m跨徑預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)組合T型梁，橋墩采用柱式橋墩，灌注樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)按摩擦樁設(shè)計［4］。

本論述采用非線性有限元軟件建立有限元模型見圖2，對本橋用梁單元進(jìn)行離散，粘滯阻尼器離散為非線性的復(fù)合阻尼單元，地震動輸入的方向和橋梁縱軸向一致。

圖1　橋梁總體布置圖（1#-6#為橋墩，0#、7#為橋臺）

圖2　橋梁有限元模型

3　粘滯阻尼器參數(shù)取值的方法和阻尼參數(shù)取值的工況

3.1粘滯阻尼器參數(shù)取值的方法

采用非線性時程分析法對設(shè)置了粘滯阻尼器的橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)量進(jìn)行對比，比較分析得出設(shè)置了粘滯阻尼器的橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)與阻尼參數(shù)變化規(guī)律。為判斷阻尼器的減震效果和阻尼參數(shù)的變化所得出的理論和依據(jù)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。計算公式當(dāng)中的速度指數(shù)a的調(diào)整對阻尼單元的受力和最大位移都有影響。理論上a的取值范圍是（0.1～2.0），但在橋梁抗震中的取值范圍基本是（0.2～1.0）之間的數(shù)值進(jìn)行非線性的工作。和線性粘滯阻尼器相比，非線性的阻尼器在相同的條件下的計算結(jié)果得出的阻尼力比較小，阻尼器的工作的效率也比較高，阻尼器耗散能量的能力也比較大。阻尼系數(shù)C的取值范圍一般是（1 000-8 000）。在粘滯阻尼器的計算公式中，阻尼器的主要所需參數(shù)有很多，但真正對阻尼器性能能產(chǎn)生較大影響的為阻尼系數(shù)C和速度指數(shù)a，尤其是后者［5，6］。

3.2設(shè)置粘滯阻尼器的連續(xù)梁橋阻尼參數(shù)取值的工況

粘滯阻尼器阻尼參數(shù)C、a的取值不同，肯定對減振效果有影響。所以，需要對橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)置粘滯阻尼器的工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，重點(diǎn)要考慮阻尼參數(shù)阻尼系數(shù)C、速度指數(shù)a作阻尼參數(shù)敏感性分析，研究這兩個參數(shù)的變化對于橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響的分析，給粘滯阻尼器的設(shè)計阻尼參數(shù)提供確立的依據(jù)［7，8］。針對本工程背景，本橋4#墩設(shè)為固定墩，由于避開橋墩的受力比較集中的情況使得每個的橋墩的受力都比較均勻安全，決定在2#墩、3#墩、5#、6#墩上分別布置粘滯阻尼器。粘滯阻尼器的布置簡圖見圖3所示。

本論述結(jié)合工程背景的特點(diǎn)，選取的阻尼參數(shù)的研究工況表見表1，設(shè)計地震動分別按照E2進(jìn)行分析。

圖3　粘滯阻尼器的布置簡圖

表1　粘滯阻尼器參數(shù)的分析工況

4　計算結(jié)果與分析

4.1基于阻尼系數(shù)C的橋梁在地震反應(yīng)中的響應(yīng)分析

根據(jù)阻尼器參數(shù)工況，阻尼器阻尼系數(shù)C和速度指數(shù)a的不同，橋梁的結(jié)構(gòu)地震動響應(yīng)分析也會不同。本工程實(shí)例以速度指數(shù)a保持不變，當(dāng)阻尼系數(shù)C從1 000～8 000范圍內(nèi)取值的變化對自由墩、固定墩墩底彎矩和剪力的影響以及0#墩和7#墩梁端位移的影響。關(guān)于阻尼系數(shù)（）的工況如下：

圖4　地震波作用下2#墩（自由墩）墩底彎矩

見圖4所示，當(dāng)C=1 000～4 000時，墩底彎矩隨著速度指數(shù)的增加而減小，且在C=2 000，a=0.6時達(dá)到最小值；在C=4 000～8 000時，在速度指數(shù)a不變的情況下，墩底彎矩略微增大之后基本趨于穩(wěn)定，在C=5 000，a=0.8時彎矩達(dá)到最小值。

圖5　地震波作用下4#墩（固定墩）墩底彎矩

見圖5所示，當(dāng)C=1 000～4 000時，墩底彎矩隨著速度指數(shù)的增加先降低后增加，且在C=1 000，a=0.3時達(dá)到最小值；在C=4 000～8 000時，墩底彎矩略微增大之后基本趨于穩(wěn)定。

圖6　0#墩的梁端位移

見圖6，在C=1 000～8 000時，當(dāng)速度指數(shù)a固定不變的情況下，梁端位移隨著阻尼系數(shù)C的增大而減小，但當(dāng)在阻尼系數(shù)C不變的情況下，隨著速度指數(shù)a的增大而減小，且在C=8 000，a=0.2時達(dá)到最小值。

圖7　7#墩的梁端位移

見圖7所示，在C=1 000～8 000時，當(dāng)速度指數(shù)a固定不變的情況下，梁端位移隨著阻尼系數(shù)C的增大而減小，但當(dāng)在阻尼系數(shù)C不變的情況下，隨著速度指數(shù)a的增大而減小，且在C=8 000，a=0.2時達(dá)到最小值。

兩組患兒診療護(hù)理2周后觀察其臨床治療效果,本次研究參考中華醫(yī)學(xué)協(xié)會制定的小兒急性腎炎臨床診療指南,治愈:患兒水腫、腹水等癥狀完全消失,各項檢查指標(biāo)均恢復(fù)正常水平。有效:患兒水腫、腹水等癥狀明顯好轉(zhuǎn),各項檢查指標(biāo)均接近正常水平。無效:患兒水腫、腹水等癥狀未明顯好轉(zhuǎn),各項檢查指標(biāo)未明顯改善甚至惡化(總有效率=顯效率+有效率)。

4.2基于速度指數(shù)a的橋梁在地震反應(yīng)中的響應(yīng)分析

根據(jù)阻尼器參數(shù)工況，阻尼器阻尼系數(shù)C和速度指數(shù)a的不同，橋梁的結(jié)構(gòu)地震動響應(yīng)分析也會不同。本小結(jié)以阻尼系數(shù)C保持，當(dāng)速度指數(shù)a從0.2～1.0范圍內(nèi)取值的變化對自由墩、固定墩墩底彎矩和剪力的影響以及0#墩和7#墩梁端位移的影響。關(guān)于速度指數(shù)a的工況分析如下：

圖8　2#墩墩底彎矩

見圖8所示，當(dāng)速度指數(shù)a=0.2～0.5時，墩底彎矩隨著阻尼系數(shù)的增加而增大，且在a=0.6～1.0時，墩底彎矩增大之后逐漸趨于穩(wěn)定；在C=2 000時彎矩達(dá)到最小值。

圖9　4#墩墩底彎矩

見圖9所示，當(dāng)a=0.2～0.5時，墩底彎矩隨著阻尼系數(shù)的增加而增加，且在C=1 000，a=0.3時達(dá)到最小值；在a=0.6～1.0時，在速度指數(shù)不變的情況下，墩底彎矩略微變化之后逐漸趨于穩(wěn)定。

圖10　0#墩的梁端位移

見圖10所示，當(dāng)阻尼系數(shù)C固定不變的情況下，梁端位移隨著阻尼指數(shù)a的減小而減小，C=8 000，a= 0.2時達(dá)到最小值。

圖11　7#墩的梁端位移

見圖11所示，在C=1 000～8 000時，當(dāng)阻尼系數(shù)C固定不變的情況下，梁端位移隨著速度指數(shù)a的減小而減小，但當(dāng)在速度指數(shù)a不變的情況下，隨著阻尼系數(shù)C的增大而減小，且在C=8 000，a=0.2時達(dá)到最小值。

4.3基于阻尼器優(yōu)選參數(shù)的橋梁在地震波作用下的減振分析

表2　兩種方案效果比較

從表2分析表明，粘滯阻尼器對于本工程的橋梁，減振效果是比較明顯的，而阻尼參數(shù)的變化對粘滯阻尼器提供的阻尼力對減振效果影響也比較大，主要的影響還是來自于阻尼系數(shù)C和速度指數(shù)a的取值。對大震作用下阻尼器參數(shù)變化對橋梁關(guān)鍵響應(yīng)量的影響進(jìn)行分析得出了適合本橋的最佳參數(shù)組合，基于這個組合和為安置阻尼器的工況對比得出，粘滯阻尼器對橋梁結(jié)構(gòu)的減振效果較為明顯，明顯較低了固定墩墩底彎矩和剪力、自由墩墩底彎矩和剪力以及梁端的位移。

5　結(jié)束語

本論述基于有限元模型，模擬分析了將粘滯阻尼器安置在連續(xù)梁橋的減振效果分析。通過上面的分析，針對本述中的工程實(shí)例，在設(shè)置粘滯阻尼器后在不同阻尼參數(shù)在地震作用下的響應(yīng)分析比較，得到幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）粘滯阻尼器對于橋梁的減振效果是比較明顯的，而阻尼參數(shù)的變化對粘滯阻尼器提供的阻尼力對減振效果影響也比較大；

（2）阻尼系數(shù)C和速度指數(shù)a的取值，對于本連續(xù)梁橋的固定墩和自由墩墩底的彎矩和剪力以及梁端的梁端位移都有一定的影響。通過對該橋在大震作用下阻尼器參數(shù)變化對橋梁關(guān)鍵響應(yīng)量的影響進(jìn)行分析得出了優(yōu)選參數(shù)組合，即為阻尼系數(shù)C取4 000，速度指數(shù)a取0.4；

（3）基于上述參數(shù)組合，對于論述中所涉及到的橋梁采用最優(yōu)的粘滯阻尼器布置位置和數(shù)目，得到的減震效果較好，可充分有效發(fā)揮粘滯阻尼器的減震性能。這些都能充分證明橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)置粘滯阻尼器的可行性和必要性。

參考文獻(xiàn)：

［1］陳永祁.橋梁工程液體粘滯阻尼器設(shè)計與施工［M］.北京：中國鐵道出版社，2012.

［2］王克海.橋梁抗震研究［M］.北京：中國鐵道出版社，2007.

［3］周云.粘滯阻尼器減震結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2006.

［4］劉軍泉.設(shè)置粘滯阻尼器的連續(xù)梁橋地震響應(yīng)及加固研究［D］.蘭州：蘭州理工大學(xué)，2011：5-20.

［5］王維凝.粘滯阻尼器速度指數(shù)及其工程應(yīng)用研究［D］.北京：北京工業(yè)大學(xué)，2009.

［6］同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗室．廣州市獵德大橋抗震性能試驗研究及分析［R］，2007.

［7］王倩.橋梁抗震粘滯阻尼器參數(shù)分析研究［D］.西安：長安大學(xué)，2014.

［8］謝旭．橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析與抗震設(shè)計［M］.北京：人民交通出版社，2006.

中圖分類號：U442.5+5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

收稿日期：2016-1-28

作者簡介：劉軍泉（1988-），男，漢族，甘肅民勤人，碩士，助理工程師，主要從事橋梁工程方面設(shè)計、研究工作。