基于大跨徑混合梁斜拉橋的粘滯阻尼器參數(shù)優(yōu)化分析

陳 原

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司，四川成都 610041)

1 概述

結(jié)構(gòu)保護(hù)系統(tǒng)，是上世紀(jì)最為偉大的科技成果之一。而其中發(fā)展最為迅速的，當(dāng)屬各種耗能阻尼器，其應(yīng)用范圍超過了我們的想象。1999年，阻尼器技術(shù)開始應(yīng)用于橋梁工程結(jié)構(gòu)中，并迅速發(fā)展。

目前，以粘滯阻尼器所構(gòu)成的消能減震系統(tǒng)在各類大跨結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計中應(yīng)用廣泛。這些大跨度橋梁往往在各個交通網(wǎng)絡(luò)中起到非常重要的樞紐作用，在地震發(fā)生后，一旦橋梁受損，將給地震受災(zāi)地區(qū)的救援和恢復(fù)工作帶來不可估計的損失。因此，提高大跨度橋梁的抗震性能一直以來是橋梁技術(shù)人員分析研究的重點。

隨著粘滯阻尼器在我國橋梁工程的迅速發(fā)展，此類型阻尼器已成功應(yīng)用于各類橋梁結(jié)構(gòu)工程，包括鵝公巖長江大橋(2000年建成，主跨600m鋼箱梁懸索橋)、上海盧浦大橋(2003年建成，主跨550m拱橋)、包樹高速公路黃河特大橋(2011年建成，6×150m連續(xù)梁橋)、馬鞍山長江公路大橋左汊橋(2013年建成，主跨2×1 080m懸索橋)、合福鐵路銅陵長江大橋(2016年建成，主跨630m公鐵兩用鋼桁梁斜拉橋)、豐都長江二橋(2017年建成，主跨680m鋼箱梁斜拉橋)等。這些橋梁通常以輕質(zhì)高強(qiáng)的鋼結(jié)構(gòu)主梁為主，對于跨徑較大，且梁體較重的“混凝土-組合梁”的混合梁形式應(yīng)用相對較少。本文以某跨江大跨徑“混凝土-組合梁”混合梁斜拉橋為工程背景，研究通過在橋梁縱向設(shè)置粘滯阻尼器來提高橋梁縱向抗震性能，并就阻尼器的參數(shù)確定進(jìn)行分析，得到的參數(shù)變化和分析方式可供該類工程應(yīng)用參考[1]。

2 粘滯阻尼器的構(gòu)造

粘滯阻尼器即一種消能構(gòu)造，主要由缸體、活塞、活塞桿及阻尼介質(zhì)構(gòu)成[2]，具體如圖1所示。

圖1 粘滯阻尼器的基本構(gòu)造

粘滯阻尼器對結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動控制的原理為：通過缸體內(nèi)活塞部分的往復(fù)運(yùn)動激起缸體內(nèi)阻尼介質(zhì)流動而產(chǎn)生流動阻抗力(包括節(jié)流孔對阻尼介質(zhì)的剪切阻抗)，從而減小結(jié)構(gòu)在各種作用下引起的振動反應(yīng)，達(dá)到消能作用。

粘滯阻尼器的力與速度的關(guān)系一般采用式(1)表達(dá)：

F=CVα

(1)

式中：F為阻尼力，單位kN；C為阻尼常數(shù)，單位kN/(m/s)α；V為阻尼器沖程速度，單位m/s；α為阻尼指數(shù)。

3 工程背景

3.1 工程概況

某跨江大跨度斜拉橋，位于宜賓市臨港經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)。大橋采用主跨480m的混合式斜拉橋方案，即邊跨采用雙縱肋混凝土梁斷面，中跨采用雙鋼箱梁組合梁斷面，鋼混結(jié)合段位于中跨索塔附近。主塔為鉆石型橋塔配群樁基礎(chǔ)，主塔總高約183m，其中上塔柱約134m，下塔柱約49m。邊跨拉索標(biāo)準(zhǔn)間距8.5m，中跨拉索標(biāo)準(zhǔn)間距11.1m。

橋梁總長866m，主跨跨徑480m，邊跨跨徑193m，邊中跨比為0.402。單側(cè)邊跨設(shè)置2個輔助墩，設(shè)置輔助墩后的邊跨跨徑組合變?yōu)?5m+51m+97m。中跨主梁標(biāo)準(zhǔn)寬度40m，邊跨主梁為變寬，寬度范圍40～57m。橋梁布置圖及標(biāo)準(zhǔn)梁體斷面如圖2～圖4所示。

圖2 橋型總體布置

圖3 中跨組合梁斷面

圖4 邊跨混凝土梁斷面

3.2 計算模型

主橋結(jié)構(gòu)抗震分析計算采用MIDAS/Civil三維有限元計算分析軟件，其中主梁、主塔、橋墩、承臺及樁基采用梁單元進(jìn)行模擬，斜拉索采用桁架單元模擬，拉索彈性模量采用公路斜拉橋設(shè)計細(xì)則[3]中6.2.4公式進(jìn)行修正，樁基根據(jù)地勘資料和地基規(guī)范，采用m法模擬土彈簧進(jìn)行約束。粘滯阻尼器采用MIDAS自帶的Maxwell模型進(jìn)行模擬。

3.3 地震參數(shù)輸入

地震參數(shù)的輸入，采用該橋《工程場地地震安全性評價報告》中提供參數(shù)，選取50a超越概率2 %(即地震重現(xiàn)期2 475a，對應(yīng)抗震規(guī)范的E2)的參數(shù)計算[4]。報告中針對此概率水平的地震作用提供了3組水平地震動加速度時程數(shù)據(jù)，其中一組數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 加速度時程荷載 (函數(shù)單位：m/s2)

4 粘滯阻尼器計算分析

4.1 布設(shè)方案

縱向阻尼器的位置一般布設(shè)在兩個具體位置：一是布設(shè)在梁端頭交界墩或橋臺位置；一是布設(shè)在主塔位置。此外，阻尼器的布設(shè)個數(shù)和位置一般采用對稱偶數(shù)布置，通常為4個或者8個。

該長江橋考慮主塔結(jié)構(gòu)較強(qiáng)，交界墩相對較弱。因此阻尼器僅布設(shè)在主塔位置。同時由于該橋梁寬度較寬，主梁整體重量較大，因此設(shè)置8個阻尼器進(jìn)行計算分析。

4.2 參數(shù)選取

不同的阻尼參數(shù)直接影響了結(jié)構(gòu)在地震作用下的不同反應(yīng)，根據(jù)式(1)可知，影響結(jié)構(gòu)地震作用得阻尼器參數(shù)主要在阻尼常數(shù)C及阻尼指數(shù)α，因此本文將根據(jù)以下不同取值進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)對比，以確定適合該長江大橋的阻尼器參數(shù)(表1)。

表1 粘滯阻尼器參數(shù)取值

4.3 變形及內(nèi)力分析

橋梁地震作用下的關(guān)鍵研究點，主要包括兩個方面：一是結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的內(nèi)力；二是結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移。該橋設(shè)置的阻尼器主要用于抑制縱橋向地震作用，縱橋向地震作用下的關(guān)鍵受力位置即為主塔塔底。同時，縱橋向作用下的橋梁關(guān)鍵部位位移分析主要為塔頂和梁端。因此，本文主要通過對比塔底內(nèi)力、梁端及塔頂位移，來分析阻尼器參數(shù)對橋梁結(jié)構(gòu)抗震的影響，同時結(jié)合阻尼器阻尼力的大小，最終確定該橋合理的參數(shù)大小。不同阻尼常數(shù)C及阻尼指數(shù)α的計算結(jié)果如圖6～圖11所示。

圖6 塔頂縱向位移曲線

圖7 梁端縱向位移曲線

圖8 塔柱底縱向彎矩曲線

圖9 塔柱底縱向剪力曲線

圖10 塔柱底軸力曲線

圖11 阻尼力曲線

設(shè)置粘滯阻尼器，在不同阻尼常數(shù)C及阻尼指數(shù)α的參數(shù)下，橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)有著較大差別。通過上述對比圖形，可見：

(1)對比不設(shè)阻尼器的情況，在設(shè)有阻尼器的情況下，塔頂位移減小了41.5 %～71.2 %，梁端位移減小了42.9 %～74.4 %，塔底縱向彎矩減小了24.8 %～58.4 %，塔底縱向剪力減小了12.8 %～25.2 %，塔底軸力減小了5.6 %～13.2 %。設(shè)置阻尼器在內(nèi)力及位移各項指標(biāo)上，對橋梁結(jié)構(gòu)抗震均有改善。

(2)阻尼常數(shù)C的增加，有利于橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。以阻尼指數(shù)α=0.3為例，阻尼常數(shù)C由2 000增加至3 500后，塔頂位移減小了31.0 %，梁端位移減小了33.8 %，塔底縱向彎矩減小了28.5 %，塔底縱向剪力減小了5.4 %，塔底軸力減小了2.4 %。但阻尼器最大阻尼力增加了56.9 %。

(3)阻尼指數(shù)α的減小，有利于橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。以阻尼常數(shù)C=2500為例，阻尼指數(shù)α由1.0減小至0.2后，塔頂位移減小了29.5 %，梁端位移減小了31.0 %，塔底縱向彎矩減小了32.8 %，塔底縱向剪力減小了6.0 %，塔底軸力減小了6.0 %，同時阻尼器最大阻尼力也減小了3.2 %。

(4)阻尼器設(shè)置于索塔橫梁位置，阻尼器的最大阻尼力對索塔橫梁的受力有影響，通過上述對比，綜合考慮索塔受力、橫梁受力及梁端伸縮縫的選取后，最終選用的阻尼器參數(shù)為阻尼常數(shù)C=2500kN/(m/s)α，阻尼指數(shù)α=0.2，最大阻尼力F=2500kN，最大阻尼行程S=600mm。在此參數(shù)下，塔頂及梁端位移分別下降了61.0 %及63.7 %，塔底的縱向彎矩、剪力及軸力分別下降了52.0 %、21.6 %及12.6 %。樁基邊樁頂?shù)妮S力及彎矩也相應(yīng)下降了49.5 %及16.9 %。

5 結(jié)論

本文針對某跨江大跨徑“混凝土-組合梁”混合梁斜拉橋，在對比分析了不同的阻尼參數(shù)對橋梁地震作用的影響后，得出了以下結(jié)論：

(1)阻尼器能有效減小地震作用下該類橋梁的位移和內(nèi)力，尤其對橋梁縱向位移及塔底縱向彎矩這兩個關(guān)鍵指標(biāo)的減小作用明顯。

(2)阻尼指數(shù)α不變而阻尼常數(shù)C增加時，地震作用下橋梁的位移和內(nèi)力隨之減小，但阻尼器最大阻尼力隨之增加。

(3)阻尼常數(shù)C不變而阻尼指數(shù)α增加時，地震作用下橋梁的位移和內(nèi)力隨之增加，而阻尼器最大阻尼力呈現(xiàn)出一定的反向拋物線形狀，且α在0.2～1.0范圍內(nèi)可找出最大阻尼力的極小值。

(4)阻尼器設(shè)置于索塔橫梁位置，阻尼力過大對索塔橫梁的受力不利，由于阻尼指數(shù)對阻尼力的影響較小，而阻尼常數(shù)對阻尼力的影響顯著，因此較小的阻尼指數(shù)配以合適的阻尼常數(shù)是比較合理的選擇。

隨著我國城市交通和“一路一帶”的發(fā)展，將會有更多的城市橋梁和海外橋梁項目的建設(shè)。如何有效地減小橋梁結(jié)構(gòu)在地震、大風(fēng)作用下的動力效應(yīng)，減少重大災(zāi)害下的人員和經(jīng)濟(jì)損失，更加科學(xué)高效地完成建設(shè)，值得我們仔細(xì)研究。本文對于阻尼器在此類橋梁上的應(yīng)用分析，值得今后的同類工程參考。