拱加劲连续刚构桥基于粘滞阻尼器的减震研究

吴 畏

(中铁五局成都投资发展有限责任公司，四川 眉山 620562)

拱加劲连续刚构桥基于粘滞阻尼器的减震研究

吴 畏

(中铁五局成都投资发展有限责任公司，四川 眉山 620562)

以某拱加劲连续刚构桥为工程背景，利用有限元软件MIDAS/CIVIL建立三维模型，安装粘滞阻尼器，采用Maxwell模型研究粘滞阻尼器阻尼参数选择以及在受到地震激励作用下该减震系统的减震效果,结果表明安装了粘滞阻尼器耗能支撑的桥梁结构地震动力反应明显地减小。

拱加劲连续刚构桥，粘滞阻尼器，减震系统

0 引言

近年来，国内外地震发生较为频繁，给人们的生命财产安全带来极大的危害。桥梁作为交通运输的生命线如何能有效地减小地震作用的影响，是现在研究的重要方向。其中减隔震技术可以显著提高桥梁结构在遭遇地震时的安全性和稳定性，减轻结构的破坏。

拱加劲连续刚构桥是将拱、梁、墩固结在一起的新型拱梁组合结构，具有造型美观、跨越能力大、施工简单等优点，近年来在工程中的应用越来越广。拱加劲连续刚构桥可以极大地提高桥梁的竖向、纵向刚度，减小桥梁的竖向挠度和纵向位移。本文以某拱加劲连续刚构桥为例，并采用非线性时程反应分析方法在地震作用下对粘滞阻尼器进行减震研究。

1 粘滞阻尼器工作原理及理论分析

粘滞阻尼器由缸体、活塞、阻尼介质、关节轴承等部件和材料构成，其核心部分是一个液压装置。图1为粘滞阻尼器的剖面图。结构在地震力的作用下，粘滞阻尼器的活塞受到活塞杆的推力产生往复运动，活塞运动产生的压力差迫使阻尼介质通过阻尼孔，由此产生阻尼力，从而达到减小桥梁振动的目的。

国内外许多专家根据不同的情况提出了一系列合理的粘滞阻尼器分析计算模型。常用的有线性模型、Maxwell模型、Kelvin模型、Wiechert模型、分数导数模型、有限元模型、标准线性固体模型等。

本文中粘滞阻尼器采用Maxwell模型进行分析，其恢复力表达式为：

(1)

2 有限元模型

利用大型有限元软件MIDAS/CIVIL建立全桥空间有限元模型，跨度为93 m+200 m+93 m的拱加劲连续刚构双线铁路桥，桥梁模型吊杆采用桁架单元建立，其余部分采用梁单元，全桥离散为46个桁架单元，378个梁单元。有限元模型如图2所示。

2.1地震波的选取

对桥梁进行一致激励地震反应分析，在两个主墩底同时输入相同地震波。地震动输入沿桥的纵向输入。桥梁结构的阻尼比取0.05。测区地震动峰值加速度为0.20g，测区为Ⅱ类场地，特征周期分区为三区，地震动反应谱特征周期为0.45 s。本文选择EI-Centro波作为设计地震波，如图3所示。

2.2粘滞阻尼器布设方案

在地震作用过程中，要充分发挥粘滞阻尼器的耗能减震作用，应当将阻尼器安装在桥梁最大相对位移处。由于本桥1号、2号主墩均与梁体刚接，二者之间无相对位移，因此不能在主墩和主梁之间加设阻尼器。考虑到0号桥台、3号过渡墩与梁体之间相对位移最大，因此，分别在0号桥台、3号过渡墩与梁体之间布设1组粘滞阻尼器,如图4所示(从左往右分别是0号～3号墩)。

3 参数敏感性分析及减震效果分析

3.1参数敏感性分析

根据拱加劲连续刚构桥的受力特点并结合相关研究成果，本文将阻尼指数的取值范围设定在0.4～0.8之间，阻尼系数C的取值范围设定在2 000 kN/(m/s)2～6 000 kN/(m/s)2之间。参数分析工况划分见表1。

表1 粘滞阻尼器参数分析工况

根据表1的参数分析工况，对拱加劲连续刚构桥进行非线性时程分析，得到墩顶弯矩与阻尼系数的关系曲线，如图5所示。由于1号墩与2号墩内力变化规律相近，限于篇幅，本节仅对1号墩进行分析。从图5可以看出，在C=4 000时，墩顶弯矩出现拐点，因此可初步确定阻尼系数C的取值为4 000。

图6为阻尼系数对墩顶剪力值的影响曲线，设置阻尼器后，墩顶剪力显著减小，当α>0.6时，剪力随阻尼系数单调递减；当α<0.6时，剪力先随阻尼系数先单调递减再趋于平稳。

图7为阻尼系数对梁端位移的影响曲线，从图7中可以看出：梁端相对位移基本随阻尼系数的增大而减小。

3.2减震效果分析

根据上述参数敏感性分析，取C=4 000 kN/(m/s)0.6nα=0.6代入模型，分析粘滞阻尼器的减震效果。表2给出了设置粘滞阻尼器前后计算结果对比和减震效率，注：减震效率=(未设置阻尼器桥梁动力响应值-设置阻尼器后桥梁动力响应值)/未设置阻尼器桥梁动力响应值×100%。表2中仅给出1号墩墩顶动力响应值。

表2 粘滞阻尼器减震效率分析表

从表2中数据可知，安装粘滞阻尼器后，桥梁地震响应得到有效控制：墩顶弯矩减小24.1%；墩顶剪力减小19.5%；梁端相对位移减小16.7%。

图8～图10为1号墩墩顶设置阻尼器和不设置阻尼器情况下位移与内力时程曲线，从图中可以看出，设置粘滞阻尼器后，墩顶位移与内力均不同程度减小，桥墩的地震响应得到有效控制。

图11为推荐参数阻尼器的滞回曲线图，最大阻尼力约1 500 kN，考虑一定的富裕度，单个阻尼器的设计阻尼力可取2 000 kN。结合桥梁在其他静力荷载作用下的静位移并考虑一定的安全富裕度，可将阻尼器的冲程定为±100 mm。

4 结语

针对拱加劲连续刚构桥，建立了动力分析模型，对耗能减震理论进行了概述，介绍了粘滞阻尼器的构造和理论分析模型。建立了粘滞阻尼器数值分析模型，列出了粘滞阻尼器参数分析工况，在此基础上对其进行了参数敏感性分析，得到一些结论：

1)综合对比了1号墩墩顶截面的地震响应关于阻尼系数C和阻尼指数α的变化规律，最后分析表明得当阻尼参数为C=4 000 kN/(m/s)0.6nα=0.6时，结构反应最小。

2)设置阻尼器后，全桥纵向的地震响应得到了很好的控制，1号墩墩顶弯矩减小24.1%；墩顶剪力减小19.5%；梁端相对位移减小16.7%。经验算，主墩承载力及基础配筋均满足要求。

[1] 白全安.连续刚构加劲拱组合结构的设计[J]．铁道建筑技术，2009(4)：17-19.

[2] 黄宗明,白绍良,赖 明.结构地震反应时程分析中的阻尼问题评述[J].地震工程与工程振动,1996,16(2):95-105.

[3] 童申家,李 纲,姜 浩.不同相位差地震作用下钢管混凝土拱桥减震研究[J].桥梁建设，2009(3)：22-25.

[4] 杨德健,耿 辰,宋佳楠.基于多点激励下黏滞阻尼器在斜拉桥中的减震效果分析[J].世界地震工程,2015,31(2)：34-42.

[5] 周 云，周福霖.耗能减震体系的能量设计方法[J].世界地震工程,1997，13(4)：7-13.

[6] 王 倩.桥梁抗震粘滞阻尼器参数分析研究[D].西安:长安大学硕士学位论文,2011.

[7] Leger P，Idel M，Paultre P.Multiple support seismic analysis of large structures[J].Computers & Structures，1990，36(6)：1153-1158.

[8] Lin W H，Chopra A K.Earthquake response of elastic SDF systems with non-linear fuid viscous dampers[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics，2002，31(9)：1623-1642.

Eismicresponseanalysisofarchstiffeningcontinuousrigidframebridgeundershockabsorption

WuWei

(ChengduInvestmentsLtdofthe5thRailwaysGroupofChina,Meishan620562,China)

This paper takes the arch stiffening continuous rigid frame bridge as the engineering background, uses the finite element software MIDAS/CIVIL to establish the three-dimensional model, install viscous dampers, research how to choose viscous dampers and under seismic excitation, the damping effect of damping system by Maxwell model. The result of the bridge what install viscous dampers can reduce the effect of earthquake obviously.

arch stiffening continuous rigid frame bridge, viscous damper, shock mitigation system

1009-6825(2017)30-0165-03

2017-08-17

吴 畏(1974- )，男，工程师

U442.55

A