安慶長江大橋粘滯阻尼器參數分析

宋連鋒 ，孫良鳳 ，袁 佩

（1.浙江大學建筑設計院市政交通分院，浙江杭州310000；2.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶市 400067）

0 前言

作為生命線工程的橋梁結構在地震作用下的安全性不同于一般的結構，一旦破壞將會造成救災工作的巨大困難，使次生災害加重，造成更大的經濟損失，因此必須增加橋梁結構的抗震安全儲備。結構耗能減震技術作為一項結構減震新技術，主要指在結構中設置耗能裝置，通過耗能設備本身提供附加阻尼，以消耗地震時輸入上部結構的地震能量，達到設防預期要求。近年來，引入阻尼器來改善橋梁結構的抗震性能成為一個研究和應用的熱點[1-2]。

阻尼器形式大致可以分為四類：彈塑性阻尼、摩擦阻尼、粘彈性阻尼及流體粘滯阻尼[3]。阻尼器的作用主要是提供阻尼，其中流體粘滯阻尼器技術較為成熟并且適用于大跨度橋梁。比如在廣西南寧大橋[4]、上海盧浦大橋等橋梁就安裝了類似的粘滯阻尼器。

基于流體粘滯阻尼器的力學特性，從抗震角度對安慶長江大橋擬安裝的流體粘滯阻尼器的參數進行分析，以期得到該橋減震控制的綜合最優方案。

1 工程概況

安慶長江公路大橋主橋為（50+215+510+215+50）m五跨連續鋼箱梁斜拉橋。橋面縱坡為2.75%，其中主跨處于R=20000 m的圓弧豎曲線上。主梁為全焊扁平流線形閉口鋼箱梁，其上翼緣為正交異性板結構。斜拉索采用鋼絞線拉索，標準索距為15 m。最大索長269.37 m，重17.2 t。斜拉索錨固于鋼箱梁腹板側的斜拉索錨箱上。斜拉索的減振采用液壓阻尼器與減振橡膠塊共同作用的方式。全橋共設有六對豎向支座，其中主塔處豎向支座兼有縱向限位功能，過渡墩及輔助墩處豎向支座兼有抵抗部分橫向力功能；橫向抗風抗震支座2對，設于橋塔處。

輔助墩墩身設計主要受船撞力控制，設計為了增強其防撞能力，將墩身做成實心，在承臺上、兩墩柱間設置橫系墻。過渡墩采用分離式花瓶形橋墩，鉆孔灌注群樁基礎。設計綜合考慮了結構受力、景觀造型、施工方案等因素。承臺和樁基均設計為普通鋼筋混凝土結構。橋梁的立面布置如圖1所示。

2 流體粘滯阻尼器

采用流體粘滯阻尼器進行分析計算。流體粘滯阻尼器一般由活塞、流體、油缸，以及節流孔組成，是利用活塞前后壓力差使油流過節流孔產生阻尼力的一種減震裝置。流體粘滯阻尼器的實樣如圖2所示。

采用Maxwell模型來模擬粘滯阻尼器單元，這種模型是Malvern在1969年提出來的，由一個阻尼器單元和線性彈簧的串聯構成。在這種模型中，非線性力-變形關系如下：

式中：f為阻尼力；kb為連接彈簧的剛度；db為阻尼器的變形；cd為阻尼器阻尼系數；sign()為符號函數；dc為阻尼器變形速率；α為阻尼器的速度指數。當α=1時稱為線性阻尼，當α<1時稱為非線性阻尼，當α>1時稱為鎖阻尼[5]。α取值一般在0.1～2.0之間，結構抗震計算時，常用值一般在0.2～1.0之間。

3 阻尼器參數分析

3.1 分析模型

在安慶大橋動力計算中，采用Midas Civil2010有限元軟件建模，結構采用三維空間有限元模型。模型建立過程中，主塔、主梁、主墩均采用梁單元進行模擬，拉索采用桁架單元模擬。安慶長江大橋主橋的空間有限元模型如圖3所示。模型共有單元936個，節點1043個。

所有樁基均采用土彈簧進行模擬，根據該橋的工程地質典型鉆孔柱狀圖，對不同橋墩處的地基土彈簧進行模擬，具體參數見表1所列。

表1 樁基土彈簧參數表

表1中，Dx，Dy，Dz分別為順橋向、橫橋向、豎橋向的平動自由度，單位為106kN/m。Rx，Ry，Rz分別為繞順橋向、橫橋向、豎橋向的轉動自由度，單位為 106kN·m/[rad]。

3.2 地震動輸入

根據大橋所在場地特點進行地震波輸入，場地地震基本烈度為7度，峰值加速度為0.1 g。選擇了地震工程界較為著名的天然波El_Centro波。在進行時程分析時，相應地將加速度峰值進行調整，E2地震作用的峰值加速度調整為0.15 g。地震動時程曲線如圖4所示。計算分析采用水平地震動和豎向地震動共同作用，豎向地震動取值為水平地震動的2/3。

3.3 參數分析

需對結構引入阻尼器的情況進行結構響應分析，主要考慮對阻尼器系數C、速度指數α進行參數敏感性分析，分析研究這些參數變化對結構響應的影響規律。本文選取阻尼系數C為2000～5000，速度指數α為0.2～0.5。

（1）在E2地震作用下，不同參數組合對南塔塔底剪力及彎矩的影響曲線如圖5和圖6所示。

由圖5可以看出隨著速度指數的增大，阻尼系數為3000～5000的塔底剪力先減小再增大；阻尼系數為2000的塔底剪力逐漸增大。由圖6可以看出隨著速度指數的增大，塔底彎矩逐漸減小，并且減小的趨勢變緩。

（2）不同參數組合對南塔塔頂位移及梁端位移的影響曲線如圖7和圖8所示。

由圖7可以看出隨著速度指數的增大，阻尼系數為2000～4000的塔頂位移逐漸減??；阻尼系數為5000的塔頂位移先減小再增大再減小。由圖8可以看出隨著速度指數的增大，阻尼系數為2000的梁端位移逐漸增大；阻尼系數為3000的梁端位移先減小再增大；阻尼系數為4000～5000的梁端位移逐漸減小。

（3）經過上面的綜合分析，得到既能減小梁端位移，又能降低塔底彎矩的三組較合理阻尼器參數：粘滯阻尼系數C為3000；非線性速度指數α為0.5；粘滯阻尼系數C為4000；非線性速度指數α為0.5；粘滯阻尼系數C為2000；非線性速度指數α為0.4。為了進一步確定阻尼器參數，下面對三組阻尼器進行減震效果的分析。在三組阻尼器下橋梁的地震響應數據如表2所列，直觀柱狀圖如圖9所示。

設置阻尼器后，斜拉橋主梁縱向位移與塔底彎矩的減震效果明顯。經過綜合比較，選取阻尼參數為3000 kN/（m/s）0.5，E2地震作用下對斜拉橋主梁位移的控制效果在70.1%，單個阻尼力為1160 kN，控制效果及阻尼力均較為理想。

為了更直接地觀察安裝阻尼器后的減震效果，下面把安裝阻尼器前后的塔底彎矩、剪力和塔頂、梁端位移時程反應曲線繪制成圖，如圖10～圖13所示。

通過圖10～圖13可以看出，結構設置阻尼器后塔底彎矩、剪力、塔頂位移和梁端位移都比設置阻尼器前有了明顯的減小。圖14為E2地震作用下滯回曲線圖。從圖14，可看出阻尼器的滯回能力比較強，阻尼力為1160 kN，單個阻尼器的額定阻尼力可以選擇為1500 kN。

表2 E2地震作用下橋梁地震反應（表中阻尼系數為單個阻尼器的阻尼系數）一覽表

4 結論

（1）安慶長江大橋設置阻尼器后，E2地震作用下，結構的位移和內力響應都有明顯的減小。

（2）通過不同參數組合的分析，最終建議選取阻尼器的阻尼系數為3000，速度指數為0.5，E2地震作用下與無阻尼的情況相比南塔塔底彎矩減震率為30.0%，塔底剪力減震率為16.2%，塔頂位移減震率為44.3%，梁端位移減震率為70.1%。

（3）建議單個阻尼器的額定阻尼力取為1500 kN。

[1]MCDANIEL C.C.,SEIBLE F..Influence of inelastic tower links on cable-supported bridge response[J].Journal of Bridge Engineering,ASCE,2005,10(3):272-280.

[2]王浩，李愛群，郭彤.超大跨懸索橋地震響應的綜合最優控制研究[J].湖南大學學報（自然科學版），2006,33(3):6-10.

[3]張長青，耿波，曾嵩，等.云南普立懸索橋粘滯阻尼器參數研究[J].中外公路，2011,31(3):191-194.

[4]劉振宇，李喬，蔣勁松，等.南寧大橋粘滯阻尼器參數分析[J].橋梁建設，2007,（4）:25-28.

[5]韓萬水，黃平明，蘭燕.斜拉橋縱向設置粘滯阻尼器參數分析[J].地震工程與工程振動，2005,25(6):146-151.