大跨度斜拉桥粘滞阻尼器抗震性能分析

刘 明 喻 梅

(1.天津市政工程设计研究院四川分院，四川 成都 610000; 2.重庆交通大学，重庆 400074)



大跨度斜拉桥粘滞阻尼器抗震性能分析

刘 明1喻 梅2

(1.天津市政工程设计研究院四川分院，四川 成都 610000; 2.重庆交通大学，重庆 400074)

对大跨度斜拉桥进行了地震非线性动力时程响应分析，通过改变阻尼器参数，取得了不同阻尼特性下结构的响应特征，并对比选出了最合适的阻尼特性参数，为同类型桥梁的地震减隔震分析提供借鉴。

斜拉桥，粘滞阻尼器，时程分析，抗震性能

1 概述

阻尼参数对结构动力特性起着非常重要的作用，也是影响结构地震动力响应重要的参数之一。在一般常规桥梁结构的地震动力响应分析中，结构的阻尼特性常以阻尼比或者以瑞利阻尼形式加以考虑。而对于非线性结构或对于具有非均匀阻尼的大跨度桥梁(如斜拉桥、悬索桥等)的地震响应分析中，为了更准确分析结构的地震动响应，则需要采用更准确的方法考虑结构的阻尼特性。对于大跨度桥梁，支座阻尼器的选取是影响结构抗震性能的重要影响因素之一。本文对大跨度斜拉桥采用液体粘滞阻尼器进行抗震分析，通过对比分析无阻尼、各种阻尼参数条件下结构的动力响应，进而得出适合本桥的最优阻尼参数。

2 计算模型

大跨度斜拉桥桥跨布置为(217+538+217)m，主梁断面为流线形钢箱梁，主梁宽31.5 m。主梁以上桥塔塔高180 m。采用大型桥梁计算软件Midas Civil2015进行有限元分析，其中主梁、桥塔、桥墩采用空间梁单元，斜拉索采用桁架单元。主梁和边墩之间竖向采用弹性连接，塔梁间竖向和横向采用弹性连接。主梁在顺桥向漂浮，通过纵向粘滞阻尼器来限制其纵向变形。顺桥向粘滞阻尼器采用一般连接的粘弹性效能器模拟，横桥向阻尼支座采用一般连接的滞后系统模拟。全桥有限元模型如图1所示。

3 地震动参数

本文通过工程场地地表面处50年超越概率为10%，阻尼比为5%的地震动加速度反应谱，根据《公路桥梁抗震设计细则》得到地表处地震动加速度时程曲线，选取其中3条地震波作为本桥进行输入地震波。现给出50年超越概率10%的三条地震波时程曲线如图2所示。

4 液体粘滞阻尼器及其参数选择

4.1 选择参数

由于篇幅本文仅仅列出50年10%超越概率水准下的加速度时程曲线作为水平向地震动输入，竖向取水平向的0.63倍作为地震动的输入，采用非线性时程分析法进行地震响应计算分析。由于粘滞阻尼器的阻尼系数C和阻尼指数ξ的取值不同，结构的地震动响应也随之不同。为了确定最合理的结构阻尼参数，本文构造不同阻尼参数样本，并在桥梁支座采用不同阻尼参数时，对其进行地震响应分析。研究地震响应与阻尼参数之间的相关性，以便得出最合理的支座阻尼参数。本文阻尼参数C和ξ样本取值如表1所示。

表1 粘滞阻尼器阻尼参数样本C,ξ值

ξC=1500C=2000C=2500C=3000C=3500C=40000.20.20.20.20.20.20.20.30.30.30.30.30.30.30.50.50.50.50.50.50.50.70.70.70.70.70.70.71111111注:C的单位为kN·m-ξ·sξ

4.2 不同阻尼器参数的地震响应分析

本文通过有限元分析得到不同参数阻尼时的桥梁关键部位的动力响应，如塔顶位移，主梁位移，塔底弯矩，塔底剪力等。随后研究这些动力响应与支座阻尼参数之间的相关关系，在这些研究基础上提出了适合本桥的支座阻尼器参数。由于篇幅限制，本文仅列出顺桥向塔顶位移，顺桥向塔底弯矩的计算结果。

4.2.1 塔顶纵向变形分析

表2列出了阻尼参数C和ξ的不同取值时桥塔顶地震响应峰值，图3，图4分别为塔顶纵向变形随C和ξ的变化规律。

表2 塔顶纵向变形响应峰值 cm

从表2和图3,图4可以看出阻尼参数与结构地震动力响应有如下相关关系：1)采用阻尼支座时，顺桥向地震响应显著减小，与无阻尼器相比，阻尼系数分别为1 500，2 000，2 500，3 000，3 500，4 000时，塔顶纵向变形响应峰值分别减小了70.4%，73.4%，77.8%，79.9%，80.1%，79.3%。2)从塔顶纵向变形随阻尼参数C，ξ变化曲线可以看出，塔顶纵向变形响应峰值随着阻尼指数ξ的增大而增大，随着阻尼系数C的增大而减小。

4.2.2 塔底弯矩计算分析

表3列出了阻尼参数C和ξ的不同取值时桥塔底顺桥向地震响应弯矩峰值，图5,图6分别为塔底弯矩随C和ξ的变化规律。

表3 塔底顺桥向弯矩峰值 ×105 kN·m

由表3和图5，图6可以得出在塔梁间设置了粘滞阻尼器之后有如下结果：

1)阻尼支座对弯矩响应制震效果较为显著。与无阻尼相比，阻尼系数C分别为1 500，2 000，2 500，3 000，3 500，4 000时，塔底弯矩峰值减小的幅度分别为46.8%，48.5%，50.0%，48.4%，42.2%，35.8%。

2)从塔底弯矩峰值随阻尼系数C，ξ变化曲线可得到，当阻尼系数C<3 000时，塔底弯矩峰值随着阻尼指数ξ的增大而增大；

当阻尼系数C≥3 000时，塔底弯矩峰值随阻尼指数ξ的增大呈先减小后增大趋势。当阻尼指数ξ>0.2时，塔底弯矩峰值随阻尼系数C的增大而减小，当ξ=0.2时，塔底弯矩峰值随阻尼系数C的增大先减小后增大。

5 结语

从图3～图6可以看出，总体上阻尼器减隔震效果比较显著。从地震动力响应与阻尼系数相关性来看，地震动力响应峰值与阻尼指数ξ近似成正比例关系，即塔顶和梁端变形峰值、塔底弯矩峰值随阻尼指数ξ增大而增大。地震动力响应与阻尼系数C近似成反比例关系，即塔顶和梁端变形峰值、塔底弯矩峰值随阻尼系数C增大而减小。由此得出，实际应用中阻尼指数ξ不宜过大，宜取小一些。大跨度桥梁支座粘滞阻尼器阻尼指数取值约在0.1～0.5之间。按照相关性关系，阻尼系数C应取大值。但阻尼系数C增大，会导致阻尼器吨位变大、阻尼器与桥梁连接部位内力增大。由此会导致结构受力性能和经济性变差，因此阻尼系数C也不宜过大。基于以上分析，综合考虑经济性、结构受力合理性和减隔震效果，本桥阻尼器阻尼参数C，ξ均取偏小值，即阻尼系数C=2 500 kN·m-0.2·s0.2，阻尼指数ξ=0.2。 此时，塔顶和梁端纵向变形峰值分别由无阻尼时的73.5 cm和65.4 cm降低至16.9 cm和12.1 cm；塔底的弯矩响应峰值由无阻尼时的17.4×105kN·m降低至8.6×105kN·m，阻尼器减隔震效果较好，满足工程抗震要求，结构受力和经济性也较为合理。

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Analysis on fluid viscous damper seismic performance of large-span cable-stayed bridge

Liu Ming1Yu Mei2

(1.TianjinMunicipalEngineeringDesignAcademySichuanBranchCompany,Chengdu610000,China;2.ChongqingUniversityofTraffic,Chongqing400074,China)

The paper carries out seismic non-linear dynamic time-history response analysis of large-span cable-stayed bridge. Through changing damper parameters, it obtains structural response performance under different damper features, and finally achieves appropriate damper parameters through comparative analysis, which has provided some guidance for similar bridge seismic reduction and isolation.

cable-stayed bridge, fluid viscous damper, time-history analysis, seismic performance

1009-6825(2016)20-0160-02

2016-05-08

刘 明(1979- )，男，博士，工程师

U441.3

A