大跨斜拉桥黏滞阻尼器减震效果分析

2017-11-09贾帅

山西交通科技 2017年2期

贾帅

（山西长治公路勘察设计院，山西长治046000）

0 引言

地震灾害对桥梁工程往往带来毁灭性破坏，桥梁工程抗震设计十分重要和必要。为应对地震作用影响，除了设计具有优良抗震性能的桥型，目前提高桥梁抗震性能的方法主要有两个层面：a）通过增加桥墩的截面面积或增加配筋量来提高桥梁的抗震能力；b）利用在桥梁上安装非线性阻尼器，将桥梁的地震作用与地面隔离开来，地震中让阻尼器吸收地震能量，从而达到降低桥梁墩台的弯矩和剪力的目的。

黏滞阻尼器对斜拉桥的抗震性能影响方面已有诸多研究成果，陈永健等通过对大跨度斜拉桥主塔与主梁直连设置阻尼器的影响研究，表明在塔梁之间设置黏滞阻尼器可减小斜拉桥的纵向地震响应[1]。杨德建等研究了黏滞阻尼器的安装位置及阻尼系数对抗震效果的影响，研究表明采用合理的阻尼器参数选取方案对关键点的内力和位移控制效果均有显著提高[2]。张常勇等研究表明在半漂浮体系斜拉桥中推荐采用液体黏滞阻尼器约束减震的方案[3]。胡庆安在相同的地震波下通过对3种不同体系的斜拉桥进行时程分析，研究表明黏滞阻尼器能够改善斜拉桥的动力性能，加黏滞阻尼器的半漂浮体系最符合斜拉桥的减震思想[4]。李高超等研究发现黏滞阻尼器虽可减小斜拉桥主要构件的地震响应，但可能增大其他构件的地震响应，应慎重考虑[5]。袁万成等对斜拉桥减隔震装置的研究中表明：黏滞阻尼器能有效地控制斜拉桥的结构内力但控制位移的能力有限[6]。叶爱君等研究表明液体黏滞阻尼器能显著地减小梁端的纵向位移[7]。亓兴军等研究表明黏滞阻尼器对大部分地震反应均能取得较好的减震效果[8]。聂丽英等研究认为液体黏滞阻尼器对于梁端的相对位移、相对速度、相对加速度均有减震作用，但不会始终对所有构件的受力有利[9]。方志等分析表明在适当的位置设置纵向黏滞阻尼器，可以有效地降低结构在地震作用下关键部位的位移，改善结构构件的地震力，同时设置阻尼器避免了相邻主梁可能发生碰撞引起的结构损坏[10]。

本文通过对一座主跨跨度为360 m的双塔斜拉桥为工程实例，分析了在设置黏滞阻尼器和不设置黏滞阻尼器两种情况下，纵向地震作用对该桥梁地震响应的影响，研究黏滞阻尼器的减隔振效果及应用。

1 黏滞性阻尼器的减震原理及力学模型

黏滞阻尼器是利用活塞前后压力差使油流过节流孔产生阻尼力的一种减震装置。当阻尼力与相对变形的速度成比例时是线性的，当阻尼力与速度不成比例时,是非线性的。一般关系可表达为：

式中：F为阻尼力；C为阻尼系数；V为阻尼器冲程速度；ξ为阻尼指数，其值范围在0.1～2.0，从抗震角度看，常用值一般在0.2～1.0。阻尼系数C增加意味着阻尼力和耗能能力的增加，而速度指数ξ对阻尼力和耗能能力的影响与速度V有关。通常速度指数越小，黏滞阻尼器耗能能力越强[10]。

大量实验表明[11]，黏滞阻尼器之所以有较好的限位能力，除了因为滞回曲线饱满外，还在于其提供的阻尼力与结构的恢复力之间存在相位差。当阻尼系数在一定范围内时，在地震作用下有：当位移最大时，速度最小，恢复力最大，阻尼力最小，有利于结构复位；当位移最小时，速度最大，恢复力最小，阻尼力最大，阻止结构偏离平衡位置。这与铅芯橡胶支座、摩擦摇摆支座和弹塑性阻尼器的作用机理有本质上的区别。

黏滞阻尼器装置有效地用于动态应力作用下两个结构元件之间会产生相对位移的地方：例如大桥的桥面与桥台之间或桥面与桥墩之间。当阻尼器用于结构计算时，可以用Maxwell力学模型进行模拟，即一个弹簧单元与阻尼单元的串联。其弹簧刚度为阻尼器自身刚度，通常由活塞杆截面决定。

图1 阻尼器Maxwell力学模型示意图

2 斜拉桥动力特性及地震波选取

2.1 斜拉桥概况及有限元模型

某双塔双索面斜拉桥，桥梁全长608 m，跨度布置为（124+360+124）m，采用钢筋混凝土H型桥塔。应用大型有限元软件建立全桥三维有限元模型，箱梁、塔、索及墩身均采用梁单元；并将二期恒载作为质量附属于节点上；在建立质量矩阵时直接把这些荷载转化成质量。

图2 全桥三维有限元模型

2.2 斜拉桥动力特性分析

斜拉桥前10阶模态计算结果如表1所示。其中第一阶为桥梁水平方向振动，周期为7.912 s，反映出桥梁纵飘的周期很长，可能地震时桥梁的纵向位移较大。第二阶和第三阶为横向振动，图3给出了大桥前两阶振型图。

表1 大桥前10阶模态

图3 斜拉桥前两阶振型图

2.3 地震波选取

一般实际工程很难有实测地震记录波，本文根据《公路桥梁抗震设计细则》规范[12]可以采用人工合成的方式得到桥梁的地震动加速度时程。首先根据抗震细则得到加速度反应谱，根据规范本桥的反应谱周期小于2 s时，加速度已经非常小了，但本桥的一阶自振周期达到6 s以上，如完全按照规范进行的话，对该桥的抗震安全性十分不利，为此借鉴铁路抗震规范的做法，修改所采用的加速度反应谱，如图4所示。根据修改后的加速度谱进行人工合成了3条地震时程，其中一条如图5所示。

图4 修改的加速度反应谱

图5 一条地震波时程及反应谱

3 黏滞阻尼器的斜拉桥减隔振效果

3.1 桥塔基底弯矩

在未设置减隔震支座工况下，支座基本是线性的，地震计算采用线性时程计算，验算墩顶、墩底等构件受力。桥梁结构地震响应的过程实际上是桥梁结构共振的过程，其地震响应的强烈取决于结构自振周期及地震烈度，对于该桥地震烈度并不是很大。对于不设置黏滞阻尼器的桥梁，计算了3条地震波下的桥梁弯矩包络图，计算结果发现桥塔底部（即承台底）弯矩最大值为2.23×106kN·m，如此大的弯矩对塔底部可能会产生破坏。

由于斜拉桥的箱梁及拉索均为钢结构，自身阻尼比小，抗震细则规定阻尼比为0.02。在进行抗震模拟时，需要将阻尼单元放入模型中，并设置合理的参数，根据经验非线性指数越小减震效果越好，本次分析选用的非线性速度指数为0.2，在每个塔上设置4个1 500 kN的黏滞性阻尼器，全桥共设置8个黏滞性阻尼器。

计算设置黏滞阻尼器后在3条地震波下的桥梁弯矩包络图，计算结果发现塔底部的弯矩最大值为8.10×105kN·m，较未设置黏滞阻尼器时降幅比例达到60%，减震效果非常理想。

3.2 梁体位移

由于斜拉桥多为漂浮体系，纵向仅仅依靠拉索约束，而这些拉索均是钢结构，自身的阻尼比非常低，使得地震时梁体共振，纵向位移过大。所以对于斜拉桥来说，纵向地震的另一个危害就是梁体纵向位移。图6给出了未设置黏滞阻尼器时的3条地震波下的梁体纵向漂移曲线。从图6可以看出，在地震时梁体的最大纵向位移高达0.9 m，如此大的位移对支座、伸缩缝、以及拉索均有较大安全隐患。所以必须考虑采取措施降低梁体位移，以提高桥梁结构的抗震性能。

通过设置黏滞性阻尼器后，梁体位移大大降低，图7是3条地震波下梁体的纵向位移曲线，最大值仅仅为0.086 m，较设置前降幅比例达90%，效果非常明显。这是由于设置阻尼器后，整体桥梁系统的阻尼比大幅提升，地震时避免出现桥梁共振现象，图7梁体的振动时程也证实了这一点。