黏滯阻尼器在半漂浮體系斜拉橋上的應(yīng)用及參數(shù)優(yōu)化

海 航

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

斜拉橋由梁、塔索和墩的不同組合構(gòu)成了四種不同的體系結(jié)構(gòu):塔梁固結(jié)、半漂浮、漂浮和鋼構(gòu)。其中,半漂浮體系斜拉橋受溫度和徐變影響較小,有利于減震耗能,因此在大跨徑斜拉橋中應(yīng)用廣泛[1,2]。研究表明，主塔抗震薄弱部位常位于塔底,一旦進(jìn)入塑性狀態(tài),塔頂位移很大,難以繼續(xù)使用;在縱橋向,大跨徑半漂浮體系斜拉橋在強(qiáng)震作用下梁端會產(chǎn)生較大縱向位移,引發(fā)主梁與相鄰跨引橋的碰撞,造成災(zāi)害。為同時(shí)防止落梁震害并保持橋塔處于彈性狀態(tài),最常用的做法是增設(shè)縱向黏滯阻尼器[3，4]。

1 工程背景與分析模型

1.1 工程概況

某大橋采用非對稱雙塔鋼箱梁雙索面斜拉橋,跨徑布置為(100+225+105) m=430 m,標(biāo)準(zhǔn)橫斷面寬度為46 m,主梁采用PK箱型斷面,橫隔板間距3 m;塔柱采用帶X撐H型C50混凝土橋塔,高82.45 m,主跨及邊跨均設(shè)置11對斜拉索,主跨及邊跨鋼梁側(cè)斜拉索梁上標(biāo)準(zhǔn)索距為9 m,斜拉索采用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860 MPa鋼絞線體系;兩側(cè)過渡墩均采用三柱式橋墩,塔柱及橋墩采用承臺接群樁基礎(chǔ),樁基采用鉆孔灌注樁,按摩擦樁設(shè)計(jì)。

1.2 有限元模型

本文采用SAP2000軟件建立如圖1所示的全橋三維結(jié)構(gòu)分析動力模型,主梁、橋塔以及過渡墩均采用空間梁單元模擬,斜拉索采用只考慮受拉桁架單元模擬并根據(jù)成橋索力對斜拉索的材料彈性模量進(jìn)行Ernst修正;主橋采用半漂浮體系結(jié)構(gòu),支座布置如圖2所示。

圖1 全橋動力分析模型

圖2 支座布置圖

樁土共同作用是采用在承臺底加6個(gè)方向的彈簧來模擬樁基礎(chǔ)的作用,彈簧的剛度根據(jù)樁基礎(chǔ)所在土層的狀況和樁的布置形式按靜力等效原則確定,由土層資料確定m值。

1.3 地震波的選擇與輸入

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T B02-01-2008)[5](以下簡稱細(xì)則)第5.2.1款,水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜可由式1確定:

(1)

本文采用7條E2人工地震波用于分析,人工地震波反應(yīng)譜與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜匹配情況如圖3所示,分析結(jié)果取7條波的平均值來考慮以消除誤差,在非線性時(shí)程分析時(shí),采用縱向+豎向的地震輸入方式,其中豎向地震根據(jù)細(xì)則采用水平地震折減的方式獲得。

圖3 人工地震波與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜匹配

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 阻尼器的應(yīng)用效果分析

本橋在縱橋向?yàn)榘肫◇w系結(jié)構(gòu),在主梁與橋塔交界處設(shè)置縱向黏滯阻尼器能夠限制主梁位移,并降低截面的地震響應(yīng)。本文分析了有阻尼器和無阻尼器兩種工況,有阻尼器是在塔梁交界處分別設(shè)置2個(gè)縱向黏滯阻尼器,對比有無阻尼器時(shí)關(guān)鍵部位位移和內(nèi)力。

縱向黏滯阻尼器采用基于Maxwell非線性力學(xué)模型的Damper單元來模擬其力學(xué)特性,力學(xué)本構(gòu)關(guān)系為:

F=C|v|asgn(v)

(2)

式中:C為阻尼系數(shù);v為活塞運(yùn)動速度;α為阻尼指數(shù)。

阻尼器參數(shù)取阻尼系數(shù)為1 500 kN/(m/s)和阻尼指數(shù)為0.3用于分析對比。本文重點(diǎn)以2個(gè)橋塔底南北兩側(cè)截面為內(nèi)力分析對象，以2個(gè)橋塔頂點(diǎn)為位移分析對象，計(jì)算結(jié)果見表1和表2。

表1 塔底截面內(nèi)力對比

表2 塔頂節(jié)點(diǎn)位移對比

由表1和表2可知,在E2縱向+豎向地震作用下,2#橋塔無論是塔頂節(jié)點(diǎn)位移還是塔底截面內(nèi)力均比1#橋塔大,因此2#橋塔應(yīng)為最不利部位。布置縱向黏滯阻尼器能夠明顯降低橋塔底截面內(nèi)力和塔頂節(jié)點(diǎn)的縱橋向位移,其中塔底截面剪力最大能減少31.47%;塔底截面彎矩最大能減少37.20%;塔頂節(jié)點(diǎn)縱橋向位移最大能降低59.96%。因此,布置縱向黏滯阻尼器對橋塔內(nèi)力和位移響應(yīng)的減震效果非常明顯。

2.2 阻尼器參數(shù)優(yōu)化分析

由上式(2)可知,阻尼常數(shù)C和阻尼指數(shù)α對阻尼器減隔震效果影響最大。為進(jìn)一步優(yōu)化阻尼器減隔震效果,本文選取阻尼系數(shù)C范圍為100～8 000 kN/(m/s);阻尼指數(shù)α分別為0.3、0.5和0.8。隨著縱向黏滯阻尼器參數(shù)的變化,關(guān)鍵部位的位移和內(nèi)力呈現(xiàn)出規(guī)律變化。

如圖4所示,當(dāng)阻尼指數(shù)α一定時(shí),橋塔塔頂節(jié)點(diǎn)位移隨阻尼系數(shù)C的增大而增加,但當(dāng)阻尼系數(shù)C增大到500 kN/(m/s)后,阻尼系數(shù)對塔頂位移的影響逐漸變小;當(dāng)阻尼系數(shù)C不變時(shí),阻尼指數(shù)α越小則塔頂節(jié)點(diǎn)位移越小,減隔震效果越顯著。

圖4 阻尼參數(shù)對塔頂節(jié)點(diǎn)位移的影響

如圖5所示,2#橋塔塔底彎矩始終比1#橋塔塔底彎矩大;當(dāng)α=0.3時(shí),塔底彎矩隨阻尼系數(shù)先減小,在阻尼系數(shù)增大到300 kN/(m/s)后,塔底截面彎矩逐漸增大;當(dāng)α=0.5時(shí),塔底彎矩隨阻尼系數(shù)先減小,在阻尼系數(shù)增大到5 000 kN/(m/s)后,塔底截面彎矩逐漸增大;當(dāng)α=0.8時(shí),塔底截面彎矩隨阻尼系數(shù)的增大而一直減小。

圖5 阻尼參數(shù)對塔底截面彎矩的影響

3 結(jié) 論

通過分析對比上述計(jì)算結(jié)果,可以得出以下結(jié)論:

(1)在E2縱向+豎向地震作用下,布置縱向黏滯阻尼器對橋塔內(nèi)力和位移響應(yīng)的減震性能顯著,塔底截面剪力最大能減少31.47%;塔底截面彎矩最大能減少37.20%;塔頂節(jié)點(diǎn)縱橋向位移最大能降低59.96%。

(2)隨著縱向黏滯阻尼器參數(shù)的變化,關(guān)鍵部位的位移和內(nèi)力呈現(xiàn)出規(guī)律變化。為進(jìn)一步優(yōu)化阻尼器減隔震效果,綜合考慮阻尼系數(shù)C和阻尼指數(shù)α對塔頂節(jié)點(diǎn)位移和塔底截面彎矩的影響后,本文認(rèn)為本橋阻尼器參數(shù)選取為:阻尼系數(shù)C=5 000 kN/(m/s)、阻尼指數(shù)α=0.3時(shí),其減隔震性能達(dá)到最優(yōu)。