懸索橋粘滯阻尼器參數(shù)優(yōu)化研究

浦麗+李慶達+楊宇+張曉杰

摘要：本文通過對懸索橋工程實例進行建模計算分析，選取7組地震波平均值，采用非線性時程分析方法，選取42種不同阻尼系數(shù)、速度指數(shù)的工況進行計算，分析對地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)的影響，為阻尼器的參數(shù)優(yōu)化選取提供依據(jù)。

Abstract： Based on the modeling， calculation and analysis of the suspension bridge engineering example， seven groups of seismic wave average are selected， and the nonlinear time history analysis method is used， the influence of 42 kind of working condition with different damping coefficient and velocity index on the bridge structure under earthquake action is analyzed， which provides the basis for the optimization of the parameters of the damper.

關(guān)鍵詞：懸索橋；粘滯阻尼器；參數(shù)優(yōu)化

Key words： suspension bridge；viscous dampers；parameter optimization

中圖分類號：U448.25 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）20-0102-03

0 引言

懸索橋?qū)偃嵝泽w系，運營過程中橋面系產(chǎn)生位移較大，導致其主橋伸縮縫及各部位結(jié)構(gòu)反應較大。通常的做法是在主橋橋面系兩端縱向安裝阻尼器，以減小梁端位移及橋梁結(jié)構(gòu)各部位結(jié)構(gòu)反應，保護伸縮縫及各結(jié)構(gòu)，同時在發(fā)生地震時，減小橋梁結(jié)構(gòu)反應。

粘滯阻尼器如圖1所示，主要由活塞、缸體、流體組成，由于缸內(nèi)被硅油或其它粘滯流體填充而得名。粘滯阻尼器的活塞在缸體內(nèi)做往復運動，根據(jù)流體運動，缸內(nèi)流體通過節(jié)流孔時會產(chǎn)生節(jié)流阻力，其阻力與活塞運動速度有關(guān)。地震發(fā)生時，阻尼器將振動能量通過粘滯阻尼材料轉(zhuǎn)化為熱能，吸收和消耗地震對橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊，從而緩解對其造成的沖擊和破壞。

本文主要研究粘滯阻尼器選用不同阻尼系數(shù)、速度指數(shù)時對橋梁結(jié)構(gòu)地震作用下的影響，優(yōu)化阻尼器參數(shù)的選用，增加橋梁結(jié)構(gòu)的抗震能力，同時又經(jīng)濟而適用。

1 阻尼器力學模型簡介

目前，國內(nèi)外學者對粘滯阻尼器進行了大量研究，分別考慮阻尼器的不同情況提出了多種分析模型，主要為線性模型、Kelvin模型、Maxwell模型等。

當阻尼器依賴頻率特性時，可采用Maxwell模型，其“阻尼器-剛度連續(xù)化”理論可得到更為精確的計算結(jié)果。當阻尼器中的流體性質(zhì)類似粘彈性材料時，綜合考慮Maxwell模型及Kelvin模型，分析結(jié)果更為精確，該模型即為Wieehert模型。

Kelvin模型考慮了粘滯阻尼器的流體剛度特性，本文采用kelvin模型進行計算分析。Kelvin模型考慮阻尼器由并聯(lián)連接彈簧組成，相鄰節(jié)點發(fā)生碰撞的碰撞力表示如下：

Fc=kk（u1-u2-gp）+ck（1-2），u1-u2-gp？叟00，u1-u2-gp<0 （1）

式中，ck為阻尼系數(shù)，kk為彈簧剛度，u1、u2為相鄰節(jié)點的位移。

2 算例

2.1 工程背景

本文以某大跨徑懸索橋為例，主跨布置為320m+1196m+320m，跨越高原深切峽谷而建，鋼筋混凝土主塔，橋面系為流線型扁平鋼箱梁，大橋縱向安裝粘滯阻尼器，在橫梁位置處設(shè)置橫向抗風支座。

2.2 建模說明

本文采用有限元軟件建模，其模型如圖3所示。建模利用索單元模擬主纜及吊索，采用空間梁單元模擬主塔、橫梁，主橋樁基礎(chǔ)采用彈簧單元模擬樁土作用，同時考慮引橋?qū)Y(jié)構(gòu)動力特性的影響。

2.3 計算參數(shù)選取

阻尼系數(shù)和速度指數(shù)見表1，設(shè)防標準按基準年限100年超越概率10%來考慮，計算選取E1作用下的7組地震波結(jié)果的平均值作為地震輸入。共進行42種不同阻尼系數(shù)、速度指數(shù)的工況計算分析。

3 計算結(jié)果

不同工況的計算結(jié)果如圖5～圖15所示。

阻尼器速度指數(shù)較小時，有利于減小結(jié)構(gòu)各部位的位移，但與主塔內(nèi)力控制存在矛盾，即較小的速度指數(shù)會增大主塔內(nèi)力。

較大的阻尼系數(shù)有利于控制主塔位移，但超過8000kN/（m/s）n后將不在顯著。同時與主塔內(nèi)力控制存在矛盾，較大的阻尼系數(shù)會增大主塔內(nèi)力。

4 結(jié)論

本文通過對阻尼器設(shè)定了42種工況進行計算分析，得到結(jié)論如下：

①阻尼系數(shù)增大，有利于控制主塔結(jié)構(gòu)的位移，但超過8000kN/（m/s）n后效果不再顯著。

②主塔結(jié)構(gòu)的位移與內(nèi)力存在矛盾，較大的阻尼系數(shù)會導致主塔內(nèi)力增大，并逐漸接近未安裝阻尼器的受力狀況。

③速度指數(shù)減小，對控制結(jié)構(gòu)位移有利，但較小的速度指數(shù)會增加主塔內(nèi)力。

④綜合結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移情況，單側(cè)縱向阻尼器阻尼系數(shù)總和取10000～15000kN/（m/s）n、速度指數(shù)取0.2～0.3為宜。

⑤阻尼器參數(shù)的選取，最總需綜合考慮造價、其他荷載要求等因素，進而確定其數(shù)量、阻尼系數(shù)和速度指數(shù)。

參考文獻：

[1]孫傳智，李愛群，繆長青，黎少華，喬燕.減震結(jié)構(gòu)粘滯阻尼器參數(shù)優(yōu)化分析[J].土木建筑與環(huán)境工程，2013（01）：80-85.

[2]張長青，耿波，曾嵩，安永日.云南普立懸索橋粘滯阻尼器參數(shù)研究[J].中外公路，2011（03）：191-194.

[3]孫卓.粘滯阻尼器參數(shù)對懸索橋抗震性能影響研究[J].廣州大學學報（自然科學版），2006（05）：85-90.

[4]梁鵬，吳向男，李萬恒，徐岳.三塔懸索橋縱向約束體系優(yōu)化[J].中國公路學報，2011（01）：59-67.

[5]鄧瑋琳，李闖.中等跨度斜拉橋抗震結(jié)構(gòu)體系研究[J].中國市政工程，2013（06）：86-89，109.

[6]盧桂臣，胡雷挺.西堠門大橋液體粘滯阻尼器參數(shù)分析[J].世界橋梁，2005（02）：43-45.

[7]陳虎.粘滯阻尼器在自錨式懸索橋中的減隔震應用研究[J].城市道橋與防洪，2009（05）：179-182，15.

[8]易壯鵬，康厚軍，王連華.基于Kelvin模型的粘彈性淺拱的動力穩(wěn)定性[J].動力學與控制學報，2009（03）：212-216.

[9]支浩迪.Kelvin模型和Maxwell模型在基底搖擺隔震中的比較[J].鐵道建筑技術(shù)，2015（09）：62-64，79.

[10]王孝然，申永軍，楊紹普.單自由度系統(tǒng)強迫振動下Kelvin模型和Maxwell模型的比較[J].石家莊鐵道大學學報（自然科學版），2016（03）：70-75.

[11]陸運軍.阻尼器耗能結(jié)構(gòu)隨機地震響應及地震作用取值分析[D].廣西工學院，2010.

[12]馬赟，高文軍，張玉坤.強震山區(qū)懸索橋減隔震裝置研究[J].公路交通科技（應用技術(shù)版），2014（12）：214-217.