河口大桥液体黏滞阻尼器参数分析

曾志刚

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730030）

1 工程概况

随着社会经济的发展、科学技术的创新及各种各种行业学术理论的进步，我国的交通事业得到了快速发展。特别是近年来，我国修建了许多位于世界技术前沿的大跨特殊桥梁结构。随着结构在跨度和高度上的突破，抗震问题也成为桥梁工程理论研究和设计施工人员需要面对的重点及难点。为跨越黄河河口水库而建设的河口大桥是兰州（新城）至永靖沿黄河快速通道的重点控制性工程。大桥主桥为双塔双索面结合梁斜拉桥，主跨跨径360 m，边跨跨径177 m，主塔高99 m；两边跨各设置一个辅助墩，主桥孔跨布置为77 m+100 m+360 m+100 m+77 m，主桥全长714 m，如图1所示。为提高主桥的抗震性能并满足施工需要，主梁采用钢-混凝土结合梁。斜拉索采用空间双索面扇形布置。桥塔采用钢筋混凝土A字型塔，塔高99 m，塔柱采用弧形空透隔板连接[1]。

图1 河口大桥桥型布置图（单位：m）

河口大桥为目前甘肃省最大跨度的斜拉桥，也是我国8度及以上地震区最大跨度斜拉桥。对于半飘浮体系斜拉桥，设置液体黏滞阻尼器是一种十分有效的消能减震措施[1]。在地震发生时，黏滞阻尼器作为一种被动消能装置，通过使阻尼器两端产生相对位移，来吸收和耗散地震以及风荷载在桥梁中产生的能量，同时不会对结构产生附加内力，基于以上特点，黏滞阻尼器在国内外的大跨度桥梁抗震控制中得到了较为广泛的应用[2-5]。

2 河口大桥阻尼器的设置位置和参数选择

河口大桥位于高地震区，需采取适当的减隔震措施来改善桥梁结构的抗震性能。若要使结构关键部位位移有效减小，结构受力更加合理，结构碰撞的力度减小或避免二者相撞，通过计算机仿真模拟计算，需在桥塔处设置液压非线性黏滞阻尼器，所以该桥在每个桥塔处设置两个阻尼器，阻尼器设置在钢主梁和桥塔下横梁之间，具体设置如图2所示。

图2 河口大桥阻尼器布置（单位：mm）

黏滞阻尼器的阻尼力通常由下式确定：

式中：C为阻尼系数，由活塞头的面积决定；V为套筒的速度；α为速度指数，实际工程中，0.3≤α≤0.1，当α=1时，为线性黏滞阻尼器；α≠1时，为非线性黏滞阻尼器，速度较小时阻尼器具有足够大的阻尼力，且随速度的增大而增大，当速度足够大时，阻尼力增加幅度变小。因此这种力-速度关系的优点在于在速度较大时，力趋于平稳。

本文使用数据依托为甘肃省地震局提供的地震安全性评价报告，采用分析方法为非线性时程方法，以计算机仿真模拟对组合梁斜拉桥进行地震响应分析。由式1可知，桥梁的地震响应结果取决于黏滞阻尼器的速度指数α和阻尼系数C两个参数的取值，本文通过分析以上两个参数取值不同时的结构地震响应结果，以确定一组适用于本桥的最优参数组合。

表1 液体黏滞阻尼器参数C和 取值表

3 河口大桥液体黏滞阻尼器的参数分析

采用MIDAS Civil有限元计算程序中的黏弹性阻尼单元（Viscoelastic Damper）对阻尼单元进行模拟，比较分析桥梁关键位置的变形和内力来确定黏滞阻尼器参数的合理取值。

3.1 变形响应计算分析

图3~图6表示了塔顶和梁端纵向纵向位移峰值随阻尼参数的变化规律。

图3 塔顶纵向位移随速度指数α的变化规律

图4 塔顶纵向位移随阻尼系数C的变化规律

由图3~图6可知，在斜拉桥主梁和桥塔间设置黏滞阻尼器后：

图6 梁端纵向位移随阻尼系数C的变化规律

（1）在纵向地震动作用下，斜拉桥塔顶纵向位移与不设置阻尼器相比显著减小，梁端的纵向位移与不设置阻尼器相比也明显减小。阻尼参数取值不同时，减震效果也不同，当阻尼系数C分别取2 000、5 000、8 000、10 000、12 000、15 000时，塔顶纵向变形响应减小的最大百分比分别为50.7%、74.6%、77.5%、79.4%、81.3%、83%，梁端纵向变形响应减小的最大百分比分别为46.9%、72.8%、77.4%、79.3%、80.4%、81.8%。

（2）当阻尼系数C不变时，塔顶和梁端纵向位移均随着速度指数的增大而增大。当速度指数在0.2和0.4之间时，变形响应变化趋于平缓，在速度指数后，变形响应放大趋势加快。

（3）当阻尼器速度指数不变时，塔顶和梁端纵向位移均随着阻尼系数C的增大而减小。当阻尼系数C在2 000和8 000之间时，变形响应衰减相对较快，在C=8 000后，衰减趋势趋于平缓。

图5 梁端纵向位移随速度指数α的变化规律

3.2 内力响应计算分析

图7至图12分别为塔底弯矩、剪力和阻尼力响应峰值随C和的变化规律。

由图7~图12可以得出，在斜拉桥主梁和桥塔间设置黏滞阻尼器后：

图7 塔底弯矩随速度指数α的变化规律

图12 阻尼力随阻尼系数C的变化规律

（1）在纵向地震动作用下，斜拉桥塔底弯矩和剪力与不设置阻尼器相比均有所减少，其中弯矩减少更为明显。阻尼参数取值不同时，减震效果也不同，当阻尼系数分别取2 000、5 000、8 000、10 000、12 000、15 000时，塔底弯矩减小的最大幅度分别为47.0%、64.9%、67.3%、68.3%、69.7%、70.0%，塔底剪力减小的最大幅度分别为20.1%、19.7%、17.9%、17.1%、16.6%、16.4%。

（2）当阻尼系数C不变时，塔底弯矩基本上随着速度指数的增大而增大，在速度指数在0.2和0.4之间时，塔底弯矩变化较为平缓，在速度指数大于0.4后，塔底弯矩成放大趋势；当速度指数不变时，塔底弯矩随着阻尼系数C的增大而减小。阻尼系数C在2 000和8 000之间时，塔底弯矩衰减相对较快，在C=8 000后，衰减趋势趋于平缓。

（3）阻尼系数C取值较小时，黏滞阻尼器可有效降低塔底剪力，但当阻尼系数较大时，反而对塔底的剪力产生了增大效应，这是因为当阻尼系数增大到一定值后，阻尼力的增大效率超过由于黏滞阻尼器的耗能导致的塔底剪力的减小速率，因此塔底剪力开始随着阻尼系数C的增大而不断增大。

（4）当阻尼系数C不变时，阻尼力随着速度指数的增大而减小，阻尼力的变化规律基本与速度指数成线性关系；当速度指数不变时，阻尼力随着阻尼系数C的增大而增加。阻尼系数C在2 000和8 000之间时，阻尼力增大趋势相对较快，在C=8 000后，阻尼力增大趋势相对趋于平缓。

图8 塔底弯矩随阻尼系数C的变化规律

图9 塔底剪力随速度指数α的变化规律

图10 塔底剪力随阻尼系数C的变化规律

图11 阻尼力随速度指数α的变化规律

由以上分析可知，速度指数越大，结合梁关键部位的纵向变形及内力也越大，阻尼器的减震效果较差，因此速度指数不宜取较大值；阻尼系数C越大，结合梁关键部位的纵向变形及内力越小，阻尼器的减震效果较好，但阻尼系数过大会造成阻尼器的尺寸、吨位过大、阻尼器连接处内力过大，经济性较差。综合考虑以上因素，河口大桥阻尼器参数确定为：阻尼系数C，速度指数。此时，塔顶和梁端纵向位移峰值分别由原来的57.8 cm和59.3 cm降低至13.7 cm和15.4 cm，减小幅度分别为76.3%和74.0%；塔底的弯矩和剪力响应峰值分别由原来的700 742 kN/m和11 952 kN降低至228 954 kN/m和9 908 kN，减小幅度分别为67.3%和17.1%。

4 结 语

（1）液体黏滞阻尼器的耗能减振效果十分明显，在本桥主梁和桥塔间设置纵向液体粘滞阻尼器可有效降低结构关键部位的变形和内力。

（2）结构的减震效果取决于阻尼参数的取值，增大阻尼系数C或者减小速度指数均可以减小结构关键部位的变形响应和地震力。阻尼器最优的参数选择应该是满足结构较好的减震效果并尽量降低阻尼器的内力，以降低阻尼器的制造和安装成本。

（3）综合考虑阻尼系数C和速度指数不同取值下结构变形和内力的减震情况，河口大桥阻尼器参数经优选确定为：阻尼系数，速度指数。