阻尼器损伤对桥梁响应影响的参数研究

姜鹏

摘要：随着经济的发展和科技水平的提高，建筑结构的设计和建造趋向超高、大跨等高难度结构。面对更加苛刻的结构需求，刚度和阻尼不断降低，建筑对外部荷载的敏感性更高，这就推进了结构振动控制技术的广泛应用，以便保证结构的安全性和舒适性。其中，黏滞阻尼器以其优良的性能成为许多建筑控制的首选，但因为其自身构造原因，黏滞阻尼器普遍存在漏液问题，所以，黏滞阻尼器损伤对结构振动控制的影响是一个极具现实意义和研究价值的重要课题。本文建立了黏滞阻尼器计算模型，并引入非线性间隙单元用以模拟阻尼器损伤，通过与试验结果对比，选定了模拟参数，模型对不同损伤程度的阻尼器均能有效描述其滞回性能。

关键词：动力时程分析;阻尼器损伤;数值模

中图分类号：TP3       文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）17-0252-06

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

本文针对黏滞阻尼器泄漏对于结构整体响应的影响进行了参数化研究。本研究中损坏的阻尼器位置为桥塔处。考虑不同的工况下阻尼器退化对结构响应的影响如：裂缝长度的变化，对称和非对称的损伤分布和不同的地震动输入等。

实际工程中阻尼器的损坏多为罐体泄漏，为模拟这种损伤，在模型中人为地加入裂缝。定义了一系列渐进损伤，裂缝程度分别等于装置最大工作行程的25%、50%、75%和100%。100%损坏的阻尼器的结构响应等于阻尼器非工作状态（C=0和K=0）下的响应。

以北岭地震为激励，模拟了主塔处完全损伤阻尼器的相对位移时程，其最大位移为116mm，由图1给出。其他损伤程度对应的最大位移分别为：30.5mm（25%），58.4mm（50%），88.9mm（75%）。

1 环境振动分析

环境振动分析以能够产生与正常交通条件相同效果白噪声为激励。如前所述，在模拟阻尼器的响应的滞回曲线时，设备中的损伤被模拟为裂缝。为模拟不同的损伤程度，定义了四个损伤等级，分别对应裂缝长度为25%、50%、75%和100%的装置最大行程。最大的损伤等级相当于裂缝贯穿阻尼器缸体，结构在100%等级损伤的阻尼器控制下的响应相当于没有阻尼器控制的结构响应。损伤的阻尼器分为两种，分别连接主跨和边跨。

1.1 位移影响分析

连接主跨的阻尼器的最大相对位移为24.9mm，其他三种损伤程度依次为6.1mm（25%），12.5mm（50%）和18.8mm（75%）。同样的，对于边跨，阻尼器最大相对位移为95.5mm，相应的其他三种损伤程度依次为24.8（25%），47.8（50%），71.6（75%）。

为研究黏滞阻尼器损伤对于结构位移响应的影响，在桥梁有限元模型中选取了4个典型节点进行研究，如图2所示，它们分别为：

1. 主跨的中点，节点号为298。

2. 边跨的中点，节点号为232，2164。

3. 桥塔顶点，节点号为11392。

数值模拟结果如表1所示。可以看出，主跨中点（298）沿桥纵向的位移受阻尼器损伤影响较大。图3-图5给出298节点和11392节点在不同损伤工况下的位移时程曲线。

由以上模拟结果可以看出，由于阻尼器损伤导致的结构位移响应差异仅在跨中位置的纵桥向比较明显。仅x方向对阻尼器损伤敏感的结果说明受阻尼器损伤影响最大的振型为第二阶振型和第六阶振型（图1和图3）。

如前所述，模拟损伤的黏滞阻尼器设置在桥塔处，分为连接主跨和边跨两种，分别以节点250和节点1848的位移表征其工作行程。当阻尼器发生损伤时，阻尼器行程发生明显变化。尤其连接主跨的阻尼器，其100%损伤时的位移超过未损伤位移的两倍;连接边跨的阻尼器其损伤后阻尼器行程为未损伤时的120%。

1.2 阻尼器最大出力分析

分别模拟了连接主跨的阻尼器出力和两侧边跨的阻尼器出力峰值，结果如表2及图6-图9所示。

结果表明，当阻尼器受到裂缝的破坏时，峰值力会更高。其原因在于，当黏滞阻尼器受到损伤，其对桥面板运动的约束降低，则阻尼器的工作变形速度会变高，出力变大。图10精确地显示了由于阻尼器损伤运行速度增大而产生阻尼力峰值的情况。

2.1 引言

为研究黏滞阻尼器泄漏对结构在真实地震激励下的控制效果的影响，采用1994年的Northridge波（里氏6.7级）作为激励输入。图11、图12和图13分别给出Northridge波三个方向分量，前20秒的加速度时程。

2.2 位移影响分析

如前所述，黏滞阻尼器中的损伤建模为其滞回曲线中的缺损。为了模拟这种损伤，人为地在模型中加入了缝隙。定义了四个损伤等级，其裂缝长度分别对应阻尼器工作行程的25%、50%、75%和100%。100%损坏的阻尼器的对应的结构响应等于无控结构的响应。

发生损伤的阻尼器有两种，分别将桥塔与主跨和边跨连接起来，称为主塔阻尼器和侧塔阻尼器。

以Northridge地震波为激励，对地震中带损伤的主塔阻尼器的最大相对位移进行了计算，其中阻尼器的损伤程度为100%。图16为受损黏滞阻尼器工作变形时程，其最大伸长量为116.8mm。其他损伤等级对应的最大伸长量分别为：30.5mm（25%），58.4mm（50%），88.9mm（75%）。

对侧塔阻尼器进行相同的分析，100%损伤对应的最大相对位移为55.9mm，相应的，其他三种损伤等级对应的最大位移分别为15.2mm（25%），27.9mm（50%），43.2mm（75%）。

为研究黏滞阻尼器损伤对于结构位移响应的影响，在桥梁有限元模型中选取了4个典型节点进行研究，如图所示，它们分别为：

1. 主跨的中点，节点号为298。

2. 边跨的中点，节点号为232，2164。

3. 桥塔顶点，节点号为11392。

数值模拟结果如表3所示。

图17、图18和图19分别为x、y、z方向，各节点在不同损伤工况下峰值位移。可以看出，唯一受阻尼器损伤影响较明显的为主跨中点（298）沿桥纵向的位移受。不同损伤程度的最大位移差距达到60%。边跨的竖向位移受损伤影响程度最大为15%。而桥塔顶端的位移几乎不受阻尼器损伤的影响（最大差距为5%）。

图20到图21为跨中节点在不同损伤程度下的各方向位移时程。如图20所示，由于阻尼器的损坏而引起的位移仅沿着纵桥方向差异显著。另外，在侧跨跨中（节点232）的竖向位移和塔顶（节点11392）的纵桥向位移中可以看到较小的差异。

2.3 阻尼器变形和出力分析

主塔阻尼器和边塔的变形分别由节点250和节点1848位移表征，二者时程如图25和图26所示。由图可见，主塔阻尼器最大损伤等级对应的位移峰值为未损伤时的4.5倍，侧塔阻尼器损伤位移峰值与未损伤位移峰值之比為2。

不同损伤程度下，两种阻尼器的最大行程如图27和图28所示。图中对角线表示裂缝长度，所以数值条红色部分代表有效工作行程，从图中能够看出，随着裂缝增大，有效行程减小，即耗散能量降低。

从以上模拟结果可以看出，一个非破坏性的Northridge波对阻尼器激发比桥梁正常的交通荷载更大。然而，在Northridge波激励下的阻尼器行程只有是17.3mm，这样微小的变形对整个结构的能量吸收的影响非常小。可见，安装黏滞阻尼器对桥梁结构的正常使用状态和中小地震中的响应影响不大。

在有限元模型中，阻尼力由连接阻尼单元的监测器单元给出，分别模拟了主塔阻尼器和侧塔架阻尼器两侧的阻尼力，结果如表4所示。

图29和图30为Northridge波激励下，主塔阻尼器和侧塔阻尼器在各个损伤等级下的出力时程。从图中可以看出，随着阻尼器损伤程度增加，阻尼力呈现先增后减的规律，与之前论述结果相符。当主塔阻尼器损伤为25%时，其出力值相比未损伤时增加一倍。

【通联编辑：梁书】