大跨度混合梁斜拉橋塔梁間粘滯阻尼器參數(shù)比選及減震效果分析

胡國輝

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司）

1 前言

混合梁斜拉橋與鋼主梁斜拉橋相比，其工程造價(jià)更加經(jīng)濟(jì)；與混凝土梁斜拉橋相比，具備跨越能力更強(qiáng)、質(zhì)量更輕等優(yōu)勢(shì)，在國內(nèi)外大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中被廣泛地采用，如上海楊浦大橋（主跨為602m 的鋼混疊合梁，邊跨為混凝土梁）、望東長(zhǎng)江公路大橋（主跨為638m 的P K 型分離雙箱鋼混疊合梁，邊跨為混凝土梁）、南寧青山大橋（主跨為430m 的分離式雙箱鋼混疊合梁）。由此可見，主跨為疊合梁形式的混合斜拉橋在設(shè)計(jì)跨度為400m 至700m 的領(lǐng)域內(nèi)占有非常重要的地位。在塔梁間設(shè)置縱向粘滯阻尼器是大跨度斜拉橋較為常規(guī)的減隔震手段，故選取合理的粘滯阻尼器參數(shù)也是斜拉橋設(shè)計(jì)中的重要課題。

2 工程概況

某大跨度斜拉橋?yàn)? 跨連續(xù)半漂浮體系雙塔雙索面混合式疊合梁斜拉橋， 全橋跨徑組合為（56.8m+64.8m+66.4m+530m+66.4m+64.8m+56.8m），主跨主梁為鋼-混疊合梁，邊跨主梁為混凝土箱梁，全橋共設(shè)兩個(gè)鋼混結(jié)合段，均位于主跨內(nèi)距主塔9.45m 處，鋼-混疊合梁總長(zhǎng)為511.1m，采用A 字形主塔，主塔共有3 道橫梁，全橋上部結(jié)構(gòu)對(duì)稱布置。斜拉索采用空間雙索面呈扇形布置，主塔兩側(cè)各分布24 對(duì)拉索，全橋共96 對(duì)斜拉索；主跨疊合梁拉索錨固間距為10.5m，邊跨混凝土梁拉索錨固間距為7.2m，塔上錨固豎向間距為2.2～2.5m，橋型總體布置圖如圖1 所示。

3 粘滯阻尼器的介紹

3.1 粘滯阻尼器應(yīng)用現(xiàn)狀

圖1 橋型總體布置圖

粘滯阻尼器是一種由缸體、活塞和粘滯性流體組成的減震耗能裝置，缸體內(nèi)部充滿粘滯流體，活塞可在缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞上留有適當(dāng)大小的小孔[1]。粘滯阻尼器的工作原理主要以其自身的粘滯性材料剪切耗能，是一種與速度相關(guān)的被動(dòng)減震裝置，在大幅振動(dòng)和小幅振動(dòng)下都能耗能減震，同時(shí)質(zhì)量以及剛度效應(yīng)較小，對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)而言，基本不會(huì)產(chǎn)生附加剛度和附加質(zhì)量；不會(huì)影響結(jié)構(gòu)在溫度變化、靜風(fēng)荷載、混凝土收縮徐變等靜載作用下的變形，也不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生附加內(nèi)力。近十幾年來，我國所修建的橋梁也越來越多地運(yùn)用粘滯阻尼器作為主要的減震措施，如2000 年建成的重慶鵝公巖長(zhǎng)江大橋（主跨跨徑為600m 的鋼箱梁懸索橋）通過設(shè)置縱向粘滯阻尼器減少大橋在地震荷載、車輛荷載以及風(fēng)荷載等可變動(dòng)荷載作用下的順橋向變形；2003 年正式建成通車的上海盧浦大橋在塔、墩及橋面的伸縮縫處設(shè)置粘滯阻尼器以減小荷載作用下伸縮縫的變形和位移。國內(nèi)目前跨度最大的斜拉橋——蘇通大橋則使用一組特大型阻尼器（最大阻尼力為6580k N，最大阻尼器行程為850mm）作為減震措施，該阻尼器設(shè)計(jì)組首次為該阻尼器加設(shè)了附加限位裝[2]。在南京長(zhǎng)江三橋引橋上已經(jīng)設(shè)置了54 個(gè)阻尼器，單個(gè)阻尼器最大阻尼力為1540k N，阻尼器最大行程為150mm；位于吉林省龍巖松花江的一座7 跨連續(xù)梁橋上安置了16 個(gè)1800k N 的鎖定裝置；我國著名的懸索橋江陰長(zhǎng)江大橋上也將安置4個(gè)特大型阻尼器，阻尼器尺寸為6.85m，單個(gè)阻尼器最大阻尼力為1000k N，阻尼器的最大行程為1000mm。

3.2 粘滯阻尼器力學(xué)模型

液體粘滯型阻尼器是一種跟速度相關(guān)的阻尼器，它產(chǎn)生的阻尼力與速度密切相關(guān)，當(dāng)阻尼器被快速拉伸或者快速壓縮時(shí)，產(chǎn)生的阻尼力相對(duì)較大；反之，當(dāng)阻尼器被緩慢拉伸或者緩慢壓縮時(shí)，產(chǎn)生的阻尼力相對(duì)較小。阻尼力的計(jì)算公式如式⑴所示[3]。

式中，

F——阻尼力；

C——阻尼系數(shù)；

α——阻尼指數(shù)；

V——阻尼器的運(yùn)動(dòng)速率。

4 阻尼器參數(shù)比選及減震效果分析

該特大橋主橋全橋縱向無約束，為半漂浮體系。通過非線性時(shí)程分析計(jì)算得出全橋主塔塔頂以及主梁梁端位移過大，為了減小斜拉橋主梁的縱向位移，通常在主塔橫梁與主梁結(jié)合處各設(shè)置2 個(gè)縱向阻尼器，成對(duì)稱布置，全橋共設(shè)置4 個(gè)縱向阻尼器，以減小主梁以及塔頂?shù)目v向位移。根據(jù)參考文獻(xiàn)，工程上粘滯阻尼器的阻尼指數(shù)一般取0.2～1。本文所取阻尼指數(shù)以及阻尼系數(shù)如表1 所示，考慮樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用，在E2 組合（順橋向+0.667 豎向）地震作用下，運(yùn)用非線性時(shí)程分析方法，進(jìn)行阻尼器參數(shù)的交叉比選。

表1 阻尼器參數(shù)比選工況

圖2 斜拉橋有限元模型離散圖

4.1 阻尼器參數(shù)比選分析

綜合斜拉橋結(jié)構(gòu)在設(shè)置阻尼器工況計(jì)算結(jié)果考慮，粘滯阻尼器最優(yōu)的參數(shù)組合為：阻尼系數(shù)c=5000k N/（m/s）α，阻尼指數(shù)α=0.2，此時(shí)塔梁間最大相對(duì)位移、主塔塔頂最大順橋向位移以及主梁梁端位移均為最小值，而阻尼器的最大阻尼力此時(shí)出現(xiàn)最大值?？紤]到工程實(shí)際中粘滯阻尼器的經(jīng)濟(jì)性和耐用性，因此該橋的縱向粘滯阻尼器的最優(yōu)參數(shù)組合取為：阻尼系數(shù)c=5000k N/（m/s）α，阻尼指數(shù)α=0.3。

4.2 阻尼器減震效果分析

本文選取斜拉橋塔梁間縱向粘滯阻尼器的參數(shù)組合為阻尼系數(shù)c=5000k N/（m/s）α，阻尼指數(shù)α=0.3，通過與未設(shè)置塔梁間縱向粘滯阻尼器的模型在E2 組合（縱向+0.667 豎向）地震作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表2 所示。

表2 阻尼器減震效果分析（c=5000k N/（m/s）α，α=0.3）

圖3 地震響應(yīng)隨阻尼器參數(shù)變化

大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)在組合地震作用下，有阻尼器模型響應(yīng)和無阻尼器響應(yīng)差別明顯，順橋向關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位移減小率均達(dá)到68%以上，對(duì)內(nèi)力響應(yīng)而言，主塔塔底最大剪力減小率為28.02%，最大減小率達(dá)44.88%，而彎矩減小更為明顯，主塔塔底彎矩最小減小率達(dá)53.08%，最大減小率達(dá)66.14%。這說明，設(shè)置塔梁間縱向粘滯阻尼器不僅可以減小結(jié)構(gòu)的位移，而且可以減小結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面的內(nèi)力，對(duì)于大跨度斜拉橋抵抗地震作用有明顯的改善效果。

5 結(jié)論

通過對(duì)該斜拉橋不同阻尼器參數(shù)工況作用下的地震響應(yīng)分析，得出以下結(jié)論：

⑴綜合斜拉橋在設(shè)置阻尼器工況計(jì)算結(jié)果考慮，粘滯阻尼器最優(yōu)的參數(shù)組合為：阻尼系數(shù)c=5000k N/（m/s）α，阻尼指數(shù)α=0.2，此時(shí)塔梁間最大相對(duì)位移、主塔塔頂最大順橋向位移以及主梁梁端位移均為最小值，而阻尼器的最大阻尼力此時(shí)出現(xiàn)最大值。考慮到工程實(shí)際中粘滯阻尼器的經(jīng)濟(jì)性和耐用性，因此該橋的縱向粘滯阻尼器的最優(yōu)參數(shù)組合取為：阻尼系數(shù)c=5000k N/（m/s）α，阻尼指數(shù)α=0.3。

⑵在塔梁間設(shè)置縱向粘滯阻尼器是一種非常有效的消能減震的措施，能夠有效地減小結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移和改善結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面的內(nèi)力。

⑶阻尼器對(duì)于結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的改善效果取決于阻尼器阻尼系數(shù)和阻尼指數(shù)的取值，斜拉橋主塔塔底在適當(dāng)?shù)膮?shù)組合下會(huì)出現(xiàn)極小值；而主塔塔底彎矩則隨阻尼系數(shù)的增大而減小，隨著阻尼指數(shù)的增大而增大；主塔塔頂以及主梁梁端位移隨著阻尼系數(shù)的增大而減小，隨著阻尼指數(shù)的增大而增大?！?/p>