某上承式拱橋減震控制理論分析

■陳煒華

(漳州市順通路橋建設(shè)有限公司，漳州 363000)

某上承式拱橋減震控制理論分析

■陳煒華

(漳州市順通路橋建設(shè)有限公司，漳州 363000)

上承式拱橋是一種常見橋型，其抗震性能較低，難以設(shè)計成延性抗震結(jié)構(gòu)。本文嘗試將阻尼器應(yīng)用到拱橋的減震控制中，運(yùn)用Midas軟件進(jìn)行有限元分析，通過比較分析以討論較為合理的減震控制方案。

上承式拱橋 阻尼器 減震控制

1 引言

拱橋由于主拱圈軸壓比較大，橫向剛度較低，延性較低，難以設(shè)計成延性抗震結(jié)構(gòu)。在地震作用下往往受到不可逆的破壞，采取適當(dāng)?shù)臏p震措施是控制拱橋地震響應(yīng)一種經(jīng)濟(jì)有效的途徑。本文試圖在拱橋模型中加入阻尼器，以討論阻尼器對拱橋減震控制中的適應(yīng)性以及減震器的優(yōu)化布置。

2 有限元模型及阻尼器參數(shù)

某上承式拱橋為單孔雙曲拱橋，主拱圈為等截面無鉸拱，凈跨徑為30.00m，凈矢高為5.00m，凈矢跨比F0/L0=1/6。橋面凈寬約為7.0m，布置為1.2m人行道+4.6m車行道+1.2m人行道。拱圈厚度為50cm，由5拱4波組成。主拱圈兩側(cè)各3個腹拱，邊腹拱為三鉸拱，腹拱圈為預(yù)制混凝土試塊拼裝。

本文所采用的阻尼器是摩擦耗能阻尼器，由模管、鋼棒、內(nèi)圓筒和外圓筒組成，鋼棒與模管緊密套合，其中鋼棒的直徑比模管的內(nèi)徑稍微大一點，以保證當(dāng)鋼棒滑移時在模管緊固力作用下產(chǎn)生恒定的摩擦力。這種摩擦耗能阻尼器與支撐構(gòu)建串聯(lián)使用時，在外荷載作用下的反應(yīng)呈現(xiàn)理想彈塑性。經(jīng)反復(fù)試算，摩擦耗能阻尼器支撐的參數(shù)為：剛度為1000kN/mm，屈服強(qiáng)度為7000kN。

圖1 拱橋有限元模型

3 計算結(jié)果及分析

3.1 自振特性

經(jīng)計算，橋梁的前3階振型如表1所示。

表1 前3階振型及其描述

3.2 未設(shè)置阻尼器的地震響應(yīng)

此次計算選用兩條地震波 (EI-Centro波、Hollywood Storage波)作為時程分析的地震震動輸入，為充分考慮阻尼器的作用，將上述地震波的峰值加速度均調(diào)整為0.4g。每個地震波輸入時分別考慮兩種工況：工況一僅考慮地震動順橋向和橫橋向輸入，不考慮豎向地震波速；工況二為順橋向、橫橋向和豎向三個方向輸入。拱頂及1/4拱截面的位移最大值如表2、表3所示。

表2 未設(shè)置阻尼器拱頂最大位移值(m)

表3 未設(shè)置阻尼器1/4拱截面位移最大值(m)

3.3 阻尼器布置方案及設(shè)置阻尼器的地震響應(yīng)

由表1～表3可知，該拱橋的面外剛度較低，橫向位移響應(yīng)較大。此次理論計算從拱腳至拱頂?shù)膬晒袄唛g的橫撐間逐次對稱增加阻尼器的數(shù)量(2，4，……，10)，分析對比阻尼器的優(yōu)化布置方案及減震效果。

對設(shè)置不同數(shù)量阻尼器的計算模型進(jìn)行地震響應(yīng)分析，引入減震率μ，定義為：

其中：φa、φb分別為設(shè)置阻尼器前后的響應(yīng)值。

拱頂位置及拱腳面外彎矩的減震效果見表4、表5。

表4 拱頂橫向位移減震效果

表5 拱腳面外彎矩減震效果

由表4、表5可知：

(1)拱頂橫向位移減震率隨著阻尼器數(shù)量的增加而增加，當(dāng)其阻尼器數(shù)量由4個增加為6個時，減震率增幅最大，說明此時增加的阻尼器對拱頂位移控制效果最好；阻尼器數(shù)量由6個增加10個時，減震率增幅較平緩，說明在此階段增加阻尼器數(shù)量對位移控制的影響相對較小。

(2)拱腳面外彎矩減震率隨著阻尼器數(shù)量的增加而增加，當(dāng)其阻尼器數(shù)量由2個增加為4個時，減震率增幅最大，說明靠近拱腳設(shè)置阻尼器對拱腳面外彎矩的控制效果最好；阻尼器數(shù)量由6個增加10個時，減震率增幅較平緩，說明在此階段增加阻尼器數(shù)量對拱腳面外彎矩的影響相對較小。

4 結(jié)論

通過以上的比較研究可以看出：設(shè)置阻尼器能夠有效減少拱橋的地震響應(yīng)，在拱橋減震控制中具有較好的應(yīng)用前景。在大震中，阻尼器通過摩擦耗能以消耗地震輸入的能量，不禁可以減少拱頂?shù)臋M向位移響應(yīng)，而且可以較大程度的減小拱腳面外彎矩。阻尼器布設(shè)位置和數(shù)量對拱橋的減震效果具有較大影響，在采用時應(yīng)對其進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)、安全的效果。

[1]李正英，等.粘滯阻尼器拱橋結(jié)構(gòu)減震控制研究[J].振動與沖擊，2007，26(1).

[2]范立礎(chǔ).橋梁延性抗震設(shè)計[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]周云.摩擦耗能阻尼減震結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2006.