黏滯阻尼器對某斜拉橋地震響應(yīng)影響規(guī)律研究

李德富

（中交遠(yuǎn)洲交通科技集團(tuán)有限公司 山西分公司，山西 太原 030006）

0 引言

地震是一種較為常見的地質(zhì)運(yùn)動，其出現(xiàn)的規(guī)律及地點(diǎn)分布具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，與地質(zhì)構(gòu)造有著密切的聯(lián)系。產(chǎn)生地震的主要原因可分為：火山地震、陷落地震、構(gòu)造地震、誘發(fā)地震[1]。斜拉橋是一種由橋塔、主梁、斜拉索3種構(gòu)件組成的橋梁結(jié)構(gòu)體系[2]，其中橋塔主要承擔(dān)壓應(yīng)力，主梁承擔(dān)彎矩，斜拉索承擔(dān)拉應(yīng)力[3]。由于地震災(zāi)害既不可避免，又較難預(yù)測，因此對橋梁結(jié)構(gòu)造成了眾多損害。鑒于地震對橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)大破壞性，給橋梁增加減隔震保護(hù)系統(tǒng)來減輕地震帶來的損害，是一種較為合理、可行的方案。

黏滯阻尼器在我國橋梁工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，例如寧波甬江特大橋安裝了8個黏滯阻尼器[4]，該黏滯阻尼器安裝于橋面與橫梁之間，其主要作用是降低橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)[5]，以此減輕地震帶來的影響。

本文以某斜拉橋?yàn)橐劳?，建立了Midas Civil有限元模型，考慮了不設(shè)置阻尼器、主塔布置阻尼器、主塔+輔助墩1布置阻尼器、主塔+輔助墩2布置阻尼器、主塔+輔助墩3布置阻尼器5種工況，對各工況下的模型進(jìn)行了地震波時程分析，分析了黏滯阻尼器對該橋梁地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響。

1 工程概況

該依托工程主橋橋跨布置為：（70+70+70+658+70+70+70）m，全長1 108 m，為雙塔雙索面半漂浮體系斜拉橋，橋面布置如圖1所示。

圖1 橋梁立面布置圖（單位：m）

該橋梁結(jié)構(gòu)類型為混合梁斜拉橋，西側(cè)邊跨及東側(cè)大堤外邊跨采用重量大、便于支架法施工的混凝土箱梁結(jié)構(gòu)；由于主跨位于水中及東側(cè)跨大堤孔受跨徑限制，所以采用了重量輕、便于懸臂拼裝施工的鋼箱梁。西側(cè)鋼混結(jié)合面設(shè)置在跨中段距索塔14.75 m處，東側(cè)鋼混結(jié)合面設(shè)置在次邊跨段距輔助墩9.85 m處，西邊跨混凝土箱梁總長度為223.59 m，鋼箱梁總長度733.4 m，東邊跨混凝土箱梁總長度為148.69 m。

該橋梁的主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如下：

a）道路等級 城市主干道；

b）設(shè)計(jì)車速 60 km/h；

c）設(shè)計(jì)荷載 城市 A級；道路荷載標(biāo)準(zhǔn)：BZZ-100標(biāo)準(zhǔn)車；人群荷載；

d）車道寬度 雙向六車道，車道寬（3.5+3.5+3.5）m；非機(jī)動車道3.5 m（含護(hù)欄）；人行道2 m（含護(hù)欄）；

e）橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期 100年；

f）橋梁設(shè)計(jì)使用年限 100年；

g）橋梁安全等級 一級；

h）通航凈空 單孔雙向通航孔，凈高10 m，凈寬150 m，最高通航水位40.28 m；

i）抗風(fēng)設(shè)計(jì) 運(yùn)營階段設(shè)計(jì)重現(xiàn)期100年，施工階段設(shè)計(jì)重現(xiàn)期30年；

j）抗震設(shè)計(jì) 地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35 s；

k）設(shè)計(jì)洪水頻率 300年一遇，設(shè)計(jì)水位42.81 m；

l）坐標(biāo)系統(tǒng) 湘潭市獨(dú)立坐標(biāo)系；

m）高程系統(tǒng) 1985國家高程系統(tǒng)。

2 有限元模型的建立

2.1 實(shí)體模型

建立全橋三維空間有限元計(jì)算模型，全橋模型如圖2所示。建立空間模型時所采用的整體坐標(biāo)系為：順橋向?yàn)閄軸方向，其正向指向東岸（大里程側(cè)）；橫橋向?yàn)閅軸方向，其正向?yàn)轫樍鞣较颍回Q向?yàn)閆軸方向，向上為正，水平坐標(biāo)原點(diǎn)位于主橋跨中中軸線處，高程0點(diǎn)與兩階段施工圖設(shè)計(jì)一致。按有限位移理論，采用通用有限元分析軟件Midas進(jìn)行全橋空間結(jié)構(gòu)非線性分析。全橋空間結(jié)構(gòu)模型中共用了887個節(jié)點(diǎn)，704個單元，其中斜拉索單元168個，梁單元536個；彈性連接34個，剛性連接21個，截面類型共有72種。

圖2 全橋結(jié)構(gòu)離散圖

2.2 黏滯阻尼器

缸式黏滯阻尼器主體是由缸體、活塞、活塞桿和內(nèi)部黏滯流體組成，外部結(jié)構(gòu)可通過活塞桿帶動活塞進(jìn)行移動，但內(nèi)部黏滯材料對活塞運(yùn)動造成阻力，最終使得橋梁結(jié)構(gòu)承擔(dān)的地震阻力轉(zhuǎn)換為缸體內(nèi)能。

式中：F表示阻尼力；C表示阻尼系數(shù)；V表示活塞與缸體的相對速度；a表示指數(shù)，其常用值范圍在0.3～1.0之內(nèi)。

當(dāng)橋梁的減隔震阻尼器安裝于橋梁中時，其支撐作用僅在橋梁承受較大地震荷載時才發(fā)揮，從而達(dá)到減隔震的作用，當(dāng)橋梁承擔(dān)靜力荷載時，阻尼器并不參與工作。本節(jié)在左側(cè)、右側(cè)主塔與主梁連接處各添加縱向黏滯阻尼器，黏滯阻尼器的阻尼系數(shù)取值為2 000 kN/(m/s)a，阻尼指數(shù)取值為0.3。

2.3 黏滯阻尼器布置方案

為研究有無阻尼器對橋梁在地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響，本文選取以下4種黏滯阻尼器布置方案：

a）方案一 主塔與主梁（墩梁連接處）布置豎向阻尼器。

b）方案二 主塔+輔助墩1（墩梁連接處）布置豎向阻尼器。

c）方案三 主塔+輔助墩2（墩梁連接處）布置豎向阻尼器。

d）方案四 主塔+輔助墩3（墩梁連接處）布置豎向阻尼器。

注：如圖1所示，輔助墩1、輔助墩2、輔助墩3表示距主塔由遠(yuǎn)到近的橋墩。

2.4 地震波的模擬

E1、E2地震波的模擬如圖3所示。

圖3 地震波

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 靜力計(jì)算結(jié)果

對該模型添加設(shè)計(jì)荷載，在不考慮阻尼器的情況下，對其成橋狀態(tài)進(jìn)行分析。橋梁成橋狀態(tài)主梁彎矩計(jì)算結(jié)果如圖4a所示，活載作用下主梁最大撓度如圖4b所示。由圖4可以得知：

圖4 靜力計(jì)算結(jié)果

a）橋梁成橋狀態(tài)下最大正彎矩出現(xiàn)在橋塔主梁處，橋塔處主梁最大正彎矩為328 541 kN·m，橋梁跨中截面最大負(fù)彎矩?cái)?shù)值為-198 000 kN·m。

b）在橋塔處主梁最大變形值為-20 mm，橋梁主梁跨中截面最大位移值為-51.8 mm。

3.2 無阻尼器狀態(tài)下地震時程分析

橋梁在地震荷載兩類工況作用下的主跨跨中截面時程分析結(jié)果如圖5所示，圖中橫坐標(biāo)表示時間參數(shù)，時間統(tǒng)一為52 s，縱坐標(biāo)為主梁跨中截面參數(shù)值。

圖5 無阻尼狀態(tài)下橋梁地震時程分析結(jié)果

a）主梁跨中時程位移值范圍為-1.3 m～+1.1 m。

b）主梁跨中彎矩時程范圍為-100 013.4 kN·m～+100 033.7 kN·m。

注：“豎向+縱向”工況表示地震荷載沿著縱向和豎向兩個方向作用于橋梁；“豎向+橫向”工況表示地震荷載沿著橫向和豎向兩個方向作用于橋梁。

3.3 參數(shù)分析

提取跨中截面位移、加速度、速度值、彎矩值，主塔塔頂位移、軸力時程計(jì)算結(jié)果的峰值參數(shù)如圖6所示，可知：

圖6 不同縱向黏滯阻尼器時程計(jì)算結(jié)果峰值參數(shù)對比

a）方案二、方案三、方案四位移分別為主塔布置阻尼器方案的98.1%、96.5%、96.2%，增設(shè)阻尼器后可減小跨中截面位移值。

b）方案二、方案三、方案四的跨中截面加速度分別為主塔布置阻尼器方案的98.9%、98.5%、98.5%，增設(shè)阻尼器后可減小跨中截面加速度值。

c）方案二、方案三、方案四的跨中截面速度分別為主塔布置阻尼器方案的98.8%、97.5%、96.8%，增設(shè)阻尼器后可減小跨中截面速度值。

d）方案二、方案三、方案四的跨中截面彎矩值分別為主塔布置阻尼器方案的99.3%、98.5%、97.8%，增設(shè)阻尼器后可減小跨中截面彎矩值。

e）方案二、方案三、方案四的塔頂位移分別為主塔布置阻尼器方案塔頂位移值的97.6%、98.1%、97.8%，增設(shè)阻尼器后可減小跨中截面塔頂位移值。

f）方案二、方案三、方案四的塔頂軸力分別為主塔布置阻尼器方案塔頂軸力值的98.9%、97.8%、97.2%，增設(shè)阻尼器后可減小跨中截面塔頂軸力值。

4 結(jié)語

本文以某斜拉橋?yàn)橐劳?，建立Midas Civil有限元模型，分析了黏滯阻尼器對該橋梁在地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，最終得到以下結(jié)論：

a）橋梁成橋狀態(tài)下橋塔處主梁最大正彎矩為328 541 kN·m，橋梁跨中截面最大負(fù)彎矩?cái)?shù)值為-543 977 kN·m，在橋塔處主梁最大變形值為-20 mm，橋梁主梁跨中截面最大位移值為-51.8 mm。

b）當(dāng)在橋梁輔助墩上添加縱向黏滯阻尼器后，橋梁的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)動力性能雖然在一定程度上有所降低，但并不顯著。

c）綜合考慮經(jīng)濟(jì)性等因素，主塔布置阻尼器的方案仍為該橋的最佳阻尼器布置方案。