可调制黏滞阻尼器的桥梁减振防震性能分析研究

姚杰义

（宜春市公路事业发展中心奉新分中心,江西 奉新 330700）

0 引言

桥梁减振防震是桥梁基建科研始终重视并不断探索提高的技术项目，在桥梁特定位置配置耗能阻尼装置，是桥梁减振防震探索所取得的一个技术成果。耗能阻尼装置的功效特点是：阻尼装置虽然不能消散所有地震破坏能量的输入，但其耗能量足以保证桥梁结构主体无恙，耗能阻尼装置虽然不能直接为桥梁结构进一步提供刚度，但其减振耗能量能够尽最大可能发挥减振抗震作用。该研究基于工程应用，梳理介绍该黏滞阻尼器的工作原理，并通过结构自振周期、顺桥向节点位移、墩顶剪力、墩底弯矩的有限元模拟分析，探讨该型黏滞阻尼器的功效特点，并就相关参数优化给出建议。

1 工程背景

某混凝土预应力悬臂桥梁，跨度组合为（32+50+32）m，中跨采取挂孔式结构，普通型钢筋混凝土梁，梁长16 m。混凝土预应力箱体梁T构主梁，墩侧悬臂长度18 m，梁高呈1.6次抛线变化，边跨为14 m等高段，梁墩固结。双柱钢筋混凝土桥墩，墩高16 m，呈1.2*1.2断面。主梁采用C50混凝土，桥墩采用C40混凝土。预应力钢材选用Std1860型号钢绞线。

桥址属于地震反应谱7度地区，特征周期0.45 s，地震水平加速度0.15 g。

2 可调制黏滞阻尼器基本原理

黏滞阻尼器是一种耗能减震装置，其主要组成部分是液压装置，包括油缸、导杆、活塞、密封圈、阻尼孔、黏性介质以及其他小零件等。在地震载荷的影响下，黏滞阻尼器与结构共同承力，结构承力使阻尼器活塞往复运动，腔室两侧产生压差，黏性介质从高压腔向低压腔流动，当介质流经阻尼孔时将发生阻尼力，从而消耗地震能量。根据活塞杆结构不同，黏滞阻尼器可分为单出杆和双出杆两种类型。

主缸内充满黏性介质，副缸为空气状态，当活塞从右向左运动时，左侧塞杆进入副缸。反之，塞杆从左向右运动，拉回主缸。由于主油腔的容积始终保证不变，因此在活塞往复运动中不会出现真空或顶死现象，也就无须安装辅助部件，使双杆减振器结构相对简单、经济[1]。

双出杆型黏滞阻尼器增加预紧力调节功能，即构成可调制黏滞阻尼器。案例所应用的可调制黏滞阻尼器见图1所示。

图1 可调制黏滞阻尼器

可调制黏滞阻尼器所使用的黏性介质或者是黏度32 cst的HM32抗磨液压油，或者是黏度1 000 cst的二甲基硅油。通过测力扳手调整调节杆，进行阻尼力控制。与普通黏滞阻尼器相比较，可调制黏滞阻尼器可以通过预紧力控制输出的阻尼力，较小的预紧力能够产生和输出增大多倍的阻尼力。可调制黏滞阻尼器密封性好，滞回曲线饱满，耗能性稳定可靠，预紧力调节实用简单。案例应用阻尼器的相关参数见表1可调制黏滞阻尼器参数和表2可调制黏滞阻尼器的速度指数与阻尼指数所示。

表2 可调制黏滞阻尼器的速度指数与阻尼指数

3 可调制黏滞阻尼器功效模拟分析

借助有限元Midas Civil模拟系统，以Ritz向量法，按无应用阻尼器和应用阻尼器两种工况，从结构自振周期、节点位移、墩底弯矩、墩顶剪力方面，对该黏滞阻尼器在桥梁抗震减振方面的功效优势开展了模拟计算分析[2]。

3.1 结构自振周期模拟结果

与未装配阻尼器的结构自振周期相比，装配阻尼器的结构自振周期有所增加，详见表3结构自振周期模拟结果。原因是配置阻尼器后，原结构刚度有了一定的增加，从而使结构整体也增加了一定的刚度。

表3 结构自振周期模拟结果

3.2 顺桥向节点位移模拟结果

图2节点位移时程曲线显示，顺桥配置2个阻尼器以后，节点1顺桥向位移量明显变小，最大位移值存在65%的降低量，虽然最大值发生的时间点有所改变，但总体看，阻尼器所产生的减振效果是明显的。

图2 顺桥向的节点移位时程曲线

3.3 墩顶剪力模拟结果

通过图3墩顶剪力时程曲线显示，装配黏滞阻尼器后，墩顶剪切力有了显著的改善。桥梁震害多源于下部结构，因为有时虽然表现为上部结构破坏，但震害源还是来自下部结构的超度形变或毁坏所致。黏滞阻尼器分担了桥墩的振动，耗散了地震破坏能量，使墩体剪力降低。

图3 墩顶剪力时程曲线图

3.4 墩底弯矩模拟结果

图4墩底弯矩时程曲线显示，配置阻尼器相比未配置阻尼器，墩底弯矩存在约60%的降低量，墩体内力改善明显，较大程度上抑制了地震响应破坏。

图4 墩底弯矩时程曲线图

4 可调制黏滞阻尼器参数优化

4.1 桥向节点位移参数优化

不同阻尼系数和速度指数下，顺桥节点位移响应

峰值的模拟结果见表4所示[3]。

表4 不同阻尼系数和速度指数下的顺桥节点位移响应峰值 /mm

数据显示，在主梁和桥台间配置可调制黏滞阻尼器后：

（1）节点顺桥向位移显著降低。对于不同的速度指数和阻尼系数，阻尼吸收功效有所不同。当阻尼系数为500、1 000、1 500和2 000时，相比不设置阻尼器，设置阻尼器的节点顺桥向位移响应的最大降低百分率分别为61.40%、71.60%、72.50%和76.00%。

（2）阻尼系数固定时，节点位移响应与速度指数呈正比关系；当速度指数固定时，节点位移响应与阻尼指数呈反比功效。从阻尼功效看，降低速度指数或增加阻尼系数，均可以使桥梁节点顺桥向位移响应有所控制，进而降低地震对桥梁的破坏性影响。

4.2 墩顶剪力参数优化

不同阻尼系数和速度指数下，墩顶剪力响应峰值的模拟结果见表5所示。

表5 不同阻尼系数和速度指数下的墩顶剪力响应峰值/kN

数据显示，在主梁和桥台间配置可调制黏滞阻尼器后：

（1）墩顶剪力有所降低。对于不同的速度指数和阻尼系数，阻尼吸收功效有所不同。当阻尼系数为500、1 000、1 500和2 000时，相比不设置阻尼器，设置阻尼器的墩顶剪力响应的最大降低百分率分别为51.60%、

52.20%、52.70%、52.60%。

（2）当维持速度指数在（a＞0.3）的偏高值时，墩顶剪力响应值随阻尼系数增加所产生的变化并不明显。当维持速度指数在（a=0.2，a=0.3）偏低值时，墩顶剪力随阻尼系数增加先降低后增加。因此当偏低的速度指数取值时，必然存在合适的阻尼系数可以将墩顶剪力控制在一个较佳状态。

4.3 墩底弯矩参数优化

不同阻尼系数和速度指数下，墩底弯矩响应峰值的模拟结果见表6所示。

表6 不同阻尼系数和速度指数下的墩底弯矩响应峰值/（kN·m）

数据显示，在主梁和桥台间配置可调制黏滞阻尼器后：

（1）墩底弯矩显著降低。对于不同的速度指数和阻尼系数，阻尼吸收功效有所不同。当阻尼系数为500、1 000、1 500和2 000时，相比不设置阻尼器，设置阻尼器的墩底响应的最大降低百分率分别为53.90%、57.10%、58.70%、61.50%。

（2）阻尼系数固定时，墩底弯矩响应与速度指数呈正比关系；当速度指数固定时，墩底弯矩响应与阻尼指数呈反比关系。从阻尼功效看，降低速度指数或增加阻尼系数，均可以使墩底弯矩响应有所控制，进而降低地震对桥梁的破坏性影响。

综合上述模拟分析，可以得出如下结论：

（1）增大速度指数时，节点顺桥向位移、墩顶剪力和墩底弯矩，对应呈现增大趋势。此时的阻尼器减振抗震功效不够明显，故应当适当降低速度指数的取值。

（2）增大阻尼系数时，节点顺桥向位移、墩顶剪力、墩底弯矩，对应呈现减小趋势。此时的阻尼器减振抗震功效明显，但增大阻尼系数也会造成阻尼器吨位增加，造成主梁与阻尼器连接区域的内力增大，此经济性又不够合理，故不应当选择过大的阻尼系数取值。

（3）经综合优选，该研究建议的阻尼器参数为：速度指数取值0.20，阻尼系数取值1 000（kN·m-0.2·s0.2），这样节点顺桥向位移可由原22.50 mm降至6.40 mm，墩顶剪力可由原274 kN降至137 kN，墩底弯矩可由原1 696 kN·m降至729 kN·m。

5 结语

综上所述，该文介绍了可调制黏滞阻尼器基本原理，基于工程应用，借助有限元Midas Civil模拟系统，以Ritz向量法，按无应用阻尼器和应用阻尼器两种工况，从结构自振周期、节点位移、墩底弯矩、墩顶剪力方面，对该黏滞阻尼器在桥梁抗震减振方面的功效优势开展了模拟计算分析。分析显示，适当降低速度指数的取值和增大阻尼系数时，该阻尼器减振抗震功效明显。但增大阻尼系数也会造成阻尼器吨位增加，造成主梁与阻尼器连接区域的内力增大，此经济性又不够合理，故不应当选择过大的阻尼系数取值。经综合优选，该研究建议的阻尼器优化参数为速度指数取值0.20，阻尼系数取值1 000（kN·m-0.2·s0.2），这样节点顺桥向位移可由原22.50 mm降至6.40 mm，墩顶剪力可由原274 kN降至137 kN，墩底弯矩可由原1 696 kN·m降至729 kN·m。