影響橋梁支座減振性能的參數(shù)分析

張 銳， 鄭連綱， 王新軍， 盧喜豐， 白曉明， 江小州

(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610213)

影響建筑物地震反應(yīng)的兩個(gè)重要因素，即結(jié)構(gòu)的周期和阻尼比[1]。非隔振低層普通建筑物具有剛度大、周期短的特性，而地震能量輸入最大的頻段正好包含其基本周期，所以普通非隔振建筑物在遇到地震能量傳入時(shí)，上部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)(加速度、速度、位移等)相較于地面運(yùn)動(dòng)有所放大。因此，現(xiàn)代隔振技術(shù)抓住這一核心，保持結(jié)構(gòu)阻尼不變，延長(zhǎng)建筑物的自振周期，則加速度反應(yīng)會(huì)大幅降低，同理，通過(guò)增大結(jié)構(gòu)的阻尼，加速度的反應(yīng)將會(huì)繼續(xù)降低，具體原理如圖1所示。也就是說(shuō)，設(shè)計(jì)隔振結(jié)構(gòu)時(shí)通過(guò)延長(zhǎng)其自振周期并增大結(jié)構(gòu)的阻尼能夠減小能量傳入上部結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)，上部結(jié)構(gòu)在地震能量傳入過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)類似剛體的平動(dòng)，能夠大大提高上部結(jié)構(gòu)的安全性。

圖1 減振原理示意

1 參數(shù)確定

1.1 形狀系數(shù)特性

第一形狀系數(shù)S1和第二形狀系數(shù)S2是兩個(gè)重要的技術(shù)參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行控制變量分析，達(dá)到調(diào)控鋅鋁合金支座的承載能力和變形能力[2]。在混凝土橋梁高載荷要求的前提下，可控的承載能力和變形能力有助于鋅鋁合金支座有效地應(yīng)用于橋梁減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)[3]。第一形狀系數(shù)計(jì)算公式為：

(1)

其中圓形支座的第一形狀參數(shù)表達(dá)式為：

(2)

矩形支座的第一形狀參數(shù)表達(dá)式為：

(3)

式中：d0代表的是加勁鋼板的外徑，di代表加勁鋼板的開孔直徑，tr代表單層合金的厚度，a代表加勁鋼板的縱向長(zhǎng)度，b代表加勁鋼板的橫向長(zhǎng)度。

第二形狀系數(shù)參數(shù)計(jì)算公式為：

(4)

圓形支座的第二形狀參數(shù)表達(dá)式為：

(5)

矩形支座的第二形狀參數(shù)表達(dá)式為：

(6)

式中：Tr代表合金層厚度，且Tr=n×t，n為合金材料的總層數(shù)。

1.2 支座參數(shù)設(shè)計(jì)

嘗試將鋅鋁合金支座應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)橋梁減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)[4]，外載荷考慮特定環(huán)境地震波輸入，通過(guò)分析地震工況下橋梁系統(tǒng)的響應(yīng)參數(shù)，研究其在有隔振支座結(jié)構(gòu)中和沒(méi)有隔振支座的結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵參數(shù)的橫向比較，以此來(lái)總結(jié)鋅鋁合金支座在橋梁結(jié)構(gòu)中的隔振效果。

由參考文獻(xiàn)[5]可知，鋅鋁合金支座的減振層厚度與減振性能的關(guān)系如圖2所示，鋅鋁合金材料阻尼比如表1所示，本文橋梁模型的幾何尺寸將依據(jù)該結(jié)論來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)方案。支座結(jié)構(gòu)幾何尺寸如表2所示，對(duì)應(yīng)的支座性能參數(shù)如表3所示。

表1 Zn Al-27材料阻尼比

圖2 力傳遞率曲線

表2 支座模型幾何尺寸

表3 支座性能參數(shù)

2 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

運(yùn)用大型有限元計(jì)算軟件ANSYS[6]對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化建模處理并進(jìn)行相應(yīng)的模態(tài)分析，簡(jiǎn)化模型如圖3所示，通過(guò)得到橋梁系統(tǒng)在有支座和沒(méi)有支座的結(jié)構(gòu)狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)自振周期以及振型，我們可以從上文減振原理為基礎(chǔ)，探究該鋅鋁合金支座是否滿足延長(zhǎng)橋梁系統(tǒng)自振周期的功效。本文對(duì)隔振系統(tǒng)與非隔振系統(tǒng)分別進(jìn)行模態(tài)計(jì)算并提取各自的前三階振型模態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析，兩種系統(tǒng)的自振頻率如表4所示，對(duì)應(yīng)的振型模態(tài)如圖4至圖9所示。

圖3 支座平面布置

振型序號(hào)非隔振結(jié)構(gòu)隔振結(jié)構(gòu)10.3472220.69205520.294820.55930930.2617470.486523

圖4 非隔振結(jié)構(gòu)一階振型

圖5 非隔振結(jié)構(gòu)二階振型

圖6 非隔振結(jié)構(gòu)三階振型

圖7 隔振結(jié)構(gòu)一階振型

圖8 隔振結(jié)構(gòu)二階振型

圖9 隔振結(jié)構(gòu)三階振型

由表4可知，設(shè)計(jì)考慮鋅鋁合金支座的橋梁系統(tǒng)其各階自振周期均大于普通橋梁系統(tǒng)，結(jié)合上述結(jié)構(gòu)隔振原理進(jìn)行分析，通過(guò)安裝鋅鋁合金支座使系統(tǒng)上部結(jié)構(gòu)自振周期有效延長(zhǎng)，合理的遠(yuǎn)離了當(dāng)下環(huán)境的卓越周期，能夠有效地減少地震激勵(lì)對(duì)橋梁系統(tǒng)的破壞能力。原始的橋梁系統(tǒng)，對(duì)抗地震能量的主要方法是依靠上部結(jié)構(gòu)的彈塑性變形對(duì)地震能量進(jìn)行耗散，對(duì)于橋梁系統(tǒng)本身來(lái)說(shuō)破壞巨大，而加入鋅鋁合金支座以后，耗散地震能量的手段主要是通過(guò)鋅鋁合金支座的阻尼變形，將地震能量轉(zhuǎn)化為熱能進(jìn)行耗散，從而有效的減弱了橋梁上部結(jié)構(gòu)彈塑性變形的幅度。為了進(jìn)一步證實(shí)上述分析，下面設(shè)計(jì)橋梁系統(tǒng)動(dòng)力計(jì)算進(jìn)行完善分析。

3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算

本節(jié)設(shè)計(jì)橋梁系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)分析，引入模擬分析時(shí)常用的地震波， EL-CENTRO地震波的其中一段作為地震激勵(lì)，相應(yīng)的加速度時(shí)程曲線如圖10所示。

圖10 地震加速度時(shí)程

本文模擬橋梁系統(tǒng)受到地震激勵(lì)影響的有限元模型時(shí)，考慮下述兩種地震模擬方法，能夠準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便的模擬地震時(shí)程曲線：

(1)大質(zhì)量法，建立不包含大質(zhì)量點(diǎn)的結(jié)構(gòu)模型，施加正常的約束和重力加速度，求出結(jié)構(gòu)的靜力解；在原有模型的基礎(chǔ)底部節(jié)點(diǎn)上附屬很大的質(zhì)量(附屬質(zhì)量可取結(jié)構(gòu)質(zhì)量的1E6倍，附屬質(zhì)量并不是越大越好)，隨后釋放基底在激勵(lì)方向的自由度，結(jié)構(gòu)處于漂浮狀態(tài)，將靜力分析時(shí)所得到的基底反力施加在基底的相應(yīng)位置，利用質(zhì)量單元MASS21來(lái)帶動(dòng)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)；將加速度時(shí)程乘以大質(zhì)量點(diǎn)的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為慣性力施加到相應(yīng)的大質(zhì)量點(diǎn)上，需要注意的是，所施加的加速度時(shí)程應(yīng)當(dāng)經(jīng)過(guò)基線調(diào)整，保證積分后位移為零且速度為零，否則結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生漂移現(xiàn)象。

(2)大位移法，同樣是釋放施加地震載荷方向的約束，在基底節(jié)點(diǎn)上加一個(gè)大剛度(combin單元)，單元?jiǎng)偠认鄬?duì)于結(jié)構(gòu)剛度大許多，然后將地震位移載荷轉(zhuǎn)化為力的時(shí)程施加在基底大位移點(diǎn)處。

本文分析橋梁地震動(dòng)力時(shí)，將橋梁關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處的加速度響應(yīng)納入地震動(dòng)力響應(yīng)考量，分別對(duì)隔振與非隔振系統(tǒng)施加0.35 m/s2的EL-CENTRO地震波輸入，采用大位移法的思路進(jìn)行有限元模擬分析，將地震加速度載荷輸入等效為位移載荷施加于支撐位置，計(jì)算后提取地震波載荷作用下橋梁關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的加速度峰值進(jìn)行對(duì)比(表5)。橫向比較有無(wú)隔振支座時(shí)橋梁系統(tǒng)最危險(xiǎn)部位加速度響應(yīng)曲線(圖11)。

表5 加速度峰值 m/s2

圖11 橋梁跨中加速度響應(yīng)

從上述圖表可以看出，在普通橋梁系統(tǒng)的1/4、1/2、3/4處選取的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其最大加速度響應(yīng)幅值分別為0.364 2 m/s2、0.528 7 m/s2、0.364 1 m/s2，而設(shè)計(jì)了鋅鋁合金支座的橋梁系統(tǒng)，其上述位置的最大加速度響應(yīng)幅值分別為0.315 9 m/s2、0.341 5 m/s2、0.316 2 m/s2，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)抗振結(jié)構(gòu)能有效減小橋梁最大加速度響應(yīng)幅值，且縱觀整個(gè)加速度響應(yīng)譜，隔振系統(tǒng)在整個(gè)激振時(shí)域中的動(dòng)力響應(yīng)相較非隔振系統(tǒng)更為平緩，能有效地減少橋梁結(jié)構(gòu)的彈塑性變形。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了針對(duì)簡(jiǎn)支鋼結(jié)構(gòu)橋梁的地震波模擬實(shí)驗(yàn)，分析鋅鋁合金支座應(yīng)用到橋梁系統(tǒng)的隔振支座上的效果?？紤]支座設(shè)計(jì)參數(shù)影響其減振性能為切入點(diǎn)，分析了隔振系統(tǒng) 與非隔振系統(tǒng)的振型模態(tài)及固有周期，結(jié)果顯示該設(shè)計(jì)參數(shù)下的鋅鋁合金支座能有效改變橋梁系統(tǒng)的固有周期，使其固有頻率遠(yuǎn)離地震卓越載荷，并且引入地震波進(jìn)行隔振效果分析，結(jié)果顯示該設(shè)計(jì)參數(shù)下的隔振系統(tǒng)能有效降低其加速度響應(yīng)峰值，平緩加速度曲線波動(dòng)程度，達(dá)到良好的隔振效果。