郭家沱长江大桥非线性粘滞阻尼器参数研究

黄 康

(招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

郭家沱长江大桥非线性粘滞阻尼器参数研究

黄 康

(招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

郭家沱长江大桥全长1 403.8 m，初步设计方案主桥采用单孔悬吊双塔3跨连续钢桁梁悬索桥，桥跨布置为75 m+720 m+75 m=870 m；两岸引桥均采用预应力混凝土连续箱梁，北引桥跨径布置为4×43 m，南引桥跨径布置为3×43 m+4×43 m。郭家沱长江大桥在纵向为漂浮体系，在地震作用下主梁纵向位移较大，这种情况下若在塔梁连接位置设置纵向阻尼器，则既可以达到减小主梁纵向位移，又可以对主塔内力产生影响。针对不同阻尼器参数，综合研究其对主塔内力和主梁位移的影响。

悬索桥；公轨两用；抗震；粘滞阻尼器；非线性时程

近年来，我国各地地震频繁发生且地震烈度罕见，如2008年四川汶川“5·12”8.0级地震，2010年青海玉树7.1级地震和2013年四川雅安7.0级地震等。一旦道路和桥梁在地震中受到破坏，将产生直接或间接的经济损失，甚至严重影响灾后救援和重建工作。因此，提高桥梁的抗震性能在结构设计中尤为重要。

范立础等[1]阐述并提出适用于特大桥的抗震分析方法。我国交通运输部2008年颁布的JTG/T B02-01—2008《公路桥梁抗震细则》[2]对于特殊桥梁，则要求进行专门的抗震分析与设计。非线性粘滞阻尼器作为一种抗震构件，依靠其安全性、合理性、经济性，越来越多地应用于大跨桥梁工程。在地震作用下，非线性粘滞阻尼器通过限制主梁纵向位移，可有效减小结构的响应值，确保大跨径桥梁的安全性。本文以重庆郭家沱长江大桥初步设计方案为例，对主梁桥塔处设置纵向非线性粘滞阻尼器的阻尼系数C和阻尼指数n进行研究，并根据分析结果提出和确定阻尼器的控制方法。

1 工程概况

郭家沱长江大桥主桥为单孔悬吊双塔3跨连续钢桁梁公轨两用悬索桥，桥跨布置为75 m+720 m+75 m=870 m；两岸引桥均采用预应力混凝土连续箱梁，北引桥跨径布置为4×43 m，南引桥跨径布置为3×43 m+4×43 m。在桥塔及端部设置竖向支座，纵向不约束；桥塔处设置横向抗风支座；在主梁跨中与主缆间设置中央扣以提高结构纵向刚度，减小轻轨高速制动和地震作用下主梁的纵向位移。桥型布置见图1。

郭家沱长江大桥主桥上层桥面宽39 m，下层桥面宽17 m，主桁架为三角形桁架，主桁架高12.7 m，标准节间长15.0 m，2片主桁中心间距为17.0 m。上弦杆、下弦杆及斜腹杆均采用箱形截面，斜撑采用H形截面。主梁标准横断面见图2。

图1 桥型布置

图2 主梁标准横断面

桥塔是由上塔柱、下塔柱、下横梁、中横梁、上横梁、鞍室及弧形墙组成的门式框架结构，采用C50混凝土，承台桩基础采用C30混凝土。南北桥塔结构形式相同，南桥塔高172.90 m，北桥塔高161.90 m。南塔塔底标高为162.726 m，北塔塔底标高为173.726 m，塔顶标高为335.626 m。主塔一般构造见图3。

横向布置2根主缆，其间距为38.0 m。每根主缆由135根索股组成，每根索股由127丝直径为5.25 mm的镀锌高强钢丝组成。吊索纵向标准间距15.0 m，塔侧吊索中心线距桥塔中心线15.0 m，每个吊点设置2根吊索。吊索采用预制平行钢丝束，单根普通吊索由109丝Φ7 mm镀锌高强钢丝构成，单根靠近塔侧的2根吊索由139丝Φ7 mm镀锌高强钢丝构成，钢丝标准抗拉强度1 770 MPa。

两岸引桥均采用预应力混凝土连续箱梁，北岸引桥跨径布置为4×43 m，南引桥跨径布置为4×43 m+3×43 m。引桥上部结构为C50等高预应力混凝土连续箱梁，采用整幅设计，主梁为双箱双室结构，梁高2.5 m；桥面顶板宽37.0 m。引桥桥墩断面与过渡墩一致，采用多边形断面。桥墩采用C40混凝土，墩柱下接承台，承台高2.5～3.0 m，平面尺寸为8.5 m×8.5 m(P13墩对应承台为7.0 m×7.0 m)。承台下接4根直径2.0 m(P13墩处桩基础直径为1.8 m)的钻孔灌注桩，桩长20～25 m，承台桩基础均采用C30混凝土。引桥一般构造见图4。

图3 主塔一般构造

图4 引桥一般构造

2 地震记录

郭家沱长江大桥《工程场地地震安全性评价报告》提供了多种不同超越概率的地震动输入，且依据JTG D65-05—2015《公路悬索桥设计规范》[3]，抗震分析中E1地震作用宜采用100年超越概率10%地震动组输入，E2地震作用宜采用100年超越概率4%地震动输入。《工程场地安全评价报告》提供的地震动输入时程见图5、图6。

3 动力特性分析

邵旭东等[4]介绍了主梁模拟可采用单主梁、双主梁或3主梁模式。郭家沱长江大桥采用单梁模拟，考虑与主桥相邻1联的引桥结构及其边界条件，进行非线性时程分析时，结构阻尼比取0.02。采用SAP2000有限元分析软件建立郭家沱大桥有限元模型，模型共有3 052个框架单元、198个索单元和32个弹性连接单元。主缆、吊杆和中央扣采用索单元模拟，塔、梁及墩等构件均采用空间梁单元模拟。主梁与拉索间的连接采用刚性连接，支座采用弹性连接单元模拟。主桥和引桥桩基础采用等代点弹簧模拟桩土效应[5]。郭家沱长江大桥有限元动力分析模型见图7。

图5 场地100年超越概率10%地震动时程(E1)

图6 场地100年超越概率4%地震动时程(E2)

图7 郭家沱长江大桥动力有限元模型

模型中，钢筋混凝土容重采用26 kN/m3，索和钢材容重采用78.5 kN/m3。设计参数均采用强度标准值，见表1～3。

根据前面建立的桥梁动力分析模型，悬索桥结构的阻尼比一般取0.02。郭家沱长江大桥在成桥状态下前10阶的自振特性计算结果见表4。

表1 混凝土参数

表2 钢材参数

表3 镀锌高强钢丝参数

4 非线性粘滞阻尼器分析

悬索桥的大部分质量集中在桥面系，因而地震惯性力也主要集中在桥面系。桥面系的地震惯性力通过斜拉索和支座传递给主塔，再由主塔传递给基础，进而传递给地基。因此，悬索桥的抗震薄弱部位位于支撑连接装置、主塔和基础。郭家沱长江大桥主塔处纵向为漂浮体系，在地震作用下主梁的纵向位移较大，这种情况下若在塔梁连接位置设置纵向粘滞阻尼器，则既可以减小主梁纵向位移，同时又可以对主塔内力产生影响。王志强等[6]在研究分析东海大桥粘滞阻尼器参数敏感性时，阻尼系数采用的范围是8 000～20 000 (kN·s)/m，阻尼指数范围为0.2～1.0。孙卓[7]在分析某大跨度悬索桥时，粘滞阻尼器阻尼系数变化范围为2 000～20 000 (kN·s)/m，阻尼指数变化范围为0.2～1.0。赵国辉等[8]采用的阻尼系数范围为1 500～8 000 (kN·s)/m，阻尼指数范围为0.3～1.0。郭家沱长江大桥塔梁间阻尼器选型分析采用的阻尼系数和阻尼指数见表5。根据CJJ 166—2011《城市桥梁抗震设计规范》[9]，应在地震作用下进行不同阻尼器参数的交叉计算分析，计算结果取在E2地震作用下结构响应的绝对值最大。本文共进行了25种不同参数阻尼器的模型分析。此外，对于悬索桥的主缆和加劲梁而言，在主跨中设置中央扣也是提高刚度的有效措施之一，且加设中央扣能降低结构的纵飘特性。因此，本文分析时，在郭家沱长江大桥跨中双索面各设置1对柔性中央扣，并对比2种动力模型进行分析，分析结果见图8～11。

表4 自振特性分析

表5 阻尼系数参数

由图 8～11可以看出，由于中央扣提高了结构整体的刚度，含中央扣的模型在地震作用下塔底弯矩和剪力比无中央扣的模型较大，但塔梁纵向相对位移显著减小；阻尼器分析模型中，阻尼指数对减小内力是有利的，但阻尼指数过大会令塔梁相对位移增大；对阻尼系数的取值来说，当阻尼系数增大其结构位移会减小，但超过某一临界值后效果不再显著，反而会导致主塔内力的增大。图 11列出了各工况阻尼器在地震作用下的最大阻尼力，由图可见：1) 阻尼器的最大阻尼力随着阻尼系数增大不断变大，并且速度指数越小，阻尼力越大；2) 阻尼器的最大位移随着阻尼系数的增大而减小，在阻尼系数一定时随着速度指数增大而减小。通过对各阻尼参数下的塔梁相对位移、塔底弯矩和塔底剪力综合比较，阻尼器指数取 0.3～0.4，阻尼系数取 4 000～6 000较为合适，此时，粘滞阻尼器阻尼力较小，塔底剪力和弯矩相对较小，塔梁相对位移较小。

图8 塔底剪力

图9 塔底弯矩

图10 塔梁相对位移

图11 最大阻尼力

阻尼器位移分析结果见图12、图13。由图12～13可以得出：在E2地震作用下，当阻尼器指数一定，阻尼器位移随着阻尼系数的增大而减小；当阻尼系数一定时，阻尼器位移随着阻尼指数的增大而增大。不同型号阻尼器的力-位移滞回曲线见图14。由图14可以看出，5种不同参数粘滞阻尼器在地震作用下的滞回曲线较为规则，饱满度较好，包络面积较大，耗能效果良好。

图12 不同阻尼系数下的阻尼器位移(阻尼指数为0.4)

图13 不同阻尼指数下的阻尼器位移(阻尼系数4 000)

5 结论

本文对郭家沱长江大桥阻尼器设定了25种工况并进行了纵向阻尼器选型和参数研究，得到如下结论：

1) 非线性粘滞阻尼器的阻尼力随阻尼系数增大不断变大，且速度指数越小，阻尼力越大。

2) 非线性粘滞阻尼器的位移随阻尼系数的增大而减小，在阻尼系数一定时其随速度指数增大而减小。

3) 中央扣可以显著提高悬索桥的纵向刚度，减少结构的纵向位移。在地震作用下跨中设置中央扣后郭家沱大桥塔底剪力减少约17%，塔底弯矩减少12%，塔梁相对位移减少约43%，此时中央扣最大轴力为4 162 kN。

图14 不同型号阻尼器的力-位移滞回曲线(阻尼指数0.4)

4) 无中央扣的非线性粘滞阻尼器参数分析表明，设置阻尼器后塔底处剪力最多减少15%，弯矩最多减少16%，塔梁相对位移最多减少90%。

5) 综合比较内力和位移变化，建议非线性粘滞阻尼器阻尼系数取4 000～6 000 (kN·s)/m较为合适，速度指数取0.3～0.4较为合适，此时阻尼器最大阻尼力为1 857～3 045 kN。

6) 非线性粘滞阻尼器的位移随阻尼系数的增大而减小，随阻尼指数的增大而增大。

7) 非线性粘滞阻尼器的力-位移滞回特征曲线表明，在地震作用下阻尼器的能量耗散显著，对改善结构整体受力有一定效果。

8) 在郭家沱长江大桥塔与主梁间设置纵向粘滞阻尼器，可有效减小主梁的纵向位移和改善塔底受力，降低结构相互间的碰撞破坏，提高桥梁的抗震安全性，与在跨中设置中央扣相比较，会增加造价。而在跨中设置中央扣不仅能提高整体结构刚度，而且还可减少结构纵向位移，但结构内力略有提高，与在塔梁结合处设置纵向阻尼器相比较，会降低工程造价。由于在地震作用下郭家沱长江大桥纵向位移较小，故考虑在跨中设置中央扣较为经济合理。

[1]范立础，胡世德，叶爱君，等.大跨度桥梁抗震设计[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]重庆交通科研设计院. 公路桥梁抗震设计细则：JTG/T B02-01—2008[S].北京：人民交通出版社，2008.

[3]中交公路规划设计院. 公路悬索桥设计规范：JTG D65-05—2015[S].北京：人民交通出版社，2015.

[4]邵旭东，程翔云，李立峰，等.桥梁设计与计算(第二版)[M].北京：人民交通出版社，2012.

[5]中交公路规划设计院有限公司. 公路桥涵地基与基础设计规范：JTG D63—2007[S].北京：人民交通出版社，2007.

[6]王志强，胡世德，范立础．东海大桥粘滞阻尼器参数研究[J]．中国公路学报，2005，18(3)：37-42.

[7]孙 卓.粘滞阻尼器参数对悬索桥抗震性能影响研究[J].广州大学学报，2006，5(5)：85-90.

[8]赵国辉，李 宇，刘健新．大跨径悬索桥液体粘滞阻尼器参数敏感性研究[J]．中国安全科学学报，2011，21(11)：35-40.

[9]同济大学，上海市政工程设计研究总院. 城市桥梁抗震设计规范：CJJ 166—2011[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

Study on Non-linear Viscous Damper Parameters of Guojiatuo Yangtze River Bridge

HUANG Kang

Guojiatuo Yangtze River Bridge has a full length of 1 403.8 m,in basic design,the main bridge is a single-hole suspended twin-tower 3-span continuous steel truss girder suspension bridge,the span arrangement is 75 m+720 m+75 m=870 m; Prestressed concrete continuous box girders are used on both sides approach bridge,the northern approach bridge span is (4×43)m,the southern approach bridge span is (3×43+4×43)m. Guojiatuo Yangtze River Bridge is floating system in longitudinal,the main beam has relatively big longitudinal displacement under seismic force. In this case,arrange longitudinal damper at the connection position of the tower girder,it can not only reduce the longitudinal displacement of the main beam,but also have an impact on the internal force of the main tower. This paper studies influence of different damper parameters on internal fstress of the main tower and main beam displacement.

suspension bridge; road-track dual purpose; anti-seismic; viscous damper; non-linear time history

10.13607/j.cnki.gljt.2016.06.008

交通运输部建设科技项目(2013318282310)

2016-08-16

黄 康(1987-)，男，重庆市人，硕士，工程师。

1009-6477(2016)06-0032-06

U448.25

A