大跨斜拉橋黏滯阻尼器減震效果分析

賈 帥

（山西長(zhǎng)治公路勘察設(shè)計(jì)院，山西 長(zhǎng)治046000）

0 引言

地震災(zāi)害對(duì)橋梁工程往往帶來(lái)毀滅性破壞，橋梁工程抗震設(shè)計(jì)十分重要和必要。為應(yīng)對(duì)地震作用影響，除了設(shè)計(jì)具有優(yōu)良抗震性能的橋型，目前提高橋梁抗震性能的方法主要有兩個(gè)層面：a）通過(guò)增加橋墩的截面面積或增加配筋量來(lái)提高橋梁的抗震能力；b）利用在橋梁上安裝非線性阻尼器，將橋梁的地震作用與地面隔離開來(lái)，地震中讓阻尼器吸收地震能量，從而達(dá)到降低橋梁墩臺(tái)的彎矩和剪力的目的。

黏滯阻尼器對(duì)斜拉橋的抗震性能影響方面已有諸多研究成果，陳永健等通過(guò)對(duì)大跨度斜拉橋主塔與主梁直連設(shè)置阻尼器的影響研究，表明在塔梁之間設(shè)置黏滯阻尼器可減小斜拉橋的縱向地震響應(yīng)[1]。楊德建等研究了黏滯阻尼器的安裝位置及阻尼系數(shù)對(duì)抗震效果的影響，研究表明采用合理的阻尼器參數(shù)選取方案對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)的內(nèi)力和位移控制效果均有顯著提高[2]。張常勇等研究表明在半漂浮體系斜拉橋中推薦采用液體黏滯阻尼器約束減震的方案[3]。胡慶安在相同的地震波下通過(guò)對(duì)3種不同體系的斜拉橋進(jìn)行時(shí)程分析，研究表明黏滯阻尼器能夠改善斜拉橋的動(dòng)力性能，加黏滯阻尼器的半漂浮體系最符合斜拉橋的減震思想[4]。李高超等研究發(fā)現(xiàn)黏滯阻尼器雖可減小斜拉橋主要構(gòu)件的地震響應(yīng)，但可能增大其他構(gòu)件的地震響應(yīng)，應(yīng)慎重考慮[5]。袁萬(wàn)成等對(duì)斜拉橋減隔震裝置的研究中表明：黏滯阻尼器能有效地控制斜拉橋的結(jié)構(gòu)內(nèi)力但控制位移的能力有限[6]。葉愛君等研究表明液體黏滯阻尼器能顯著地減小梁端的縱向位移[7]。亓興軍等研究表明黏滯阻尼器對(duì)大部分地震反應(yīng)均能取得較好的減震效果[8]。聶麗英等研究認(rèn)為液體黏滯阻尼器對(duì)于梁端的相對(duì)位移、相對(duì)速度、相對(duì)加速度均有減震作用，但不會(huì)始終對(duì)所有構(gòu)件的受力有利[9]。方志等分析表明在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置縱向黏滯阻尼器，可以有效地降低結(jié)構(gòu)在地震作用下關(guān)鍵部位的位移，改善結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震力，同時(shí)設(shè)置阻尼器避免了相鄰主梁可能發(fā)生碰撞引起的結(jié)構(gòu)損壞[10]。

本文通過(guò)對(duì)一座主跨跨度為360 m的雙塔斜拉橋?yàn)楣こ虒?shí)例，分析了在設(shè)置黏滯阻尼器和不設(shè)置黏滯阻尼器兩種情況下，縱向地震作用對(duì)該橋梁地震響應(yīng)的影響，研究黏滯阻尼器的減隔振效果及應(yīng)用。

1 黏滯性阻尼器的減震原理及力學(xué)模型

黏滯阻尼器是利用活塞前后壓力差使油流過(guò)節(jié)流孔產(chǎn)生阻尼力的一種減震裝置。當(dāng)阻尼力與相對(duì)變形的速度成比例時(shí)是線性的，當(dāng)阻尼力與速度不成比例時(shí),是非線性的。一般關(guān)系可表達(dá)為：

式中：F為阻尼力；C為阻尼系數(shù)；V為阻尼器沖程速度；ξ為阻尼指數(shù)，其值范圍在0.1～2.0，從抗震角度看，常用值一般在0.2～1.0。阻尼系數(shù)C增加意味著阻尼力和耗能能力的增加，而速度指數(shù)ξ對(duì)阻尼力和耗能能力的影響與速度V有關(guān)。通常速度指數(shù)越小，黏滯阻尼器耗能能力越強(qiáng)[10]。

大量實(shí)驗(yàn)表明[11]，黏滯阻尼器之所以有較好的限位能力，除了因?yàn)闇厍€飽滿外，還在于其提供的阻尼力與結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力之間存在相位差。當(dāng)阻尼系數(shù)在一定范圍內(nèi)時(shí)，在地震作用下有：當(dāng)位移最大時(shí)，速度最小，恢復(fù)力最大，阻尼力最小，有利于結(jié)構(gòu)復(fù)位；當(dāng)位移最小時(shí)，速度最大，恢復(fù)力最小，阻尼力最大，阻止結(jié)構(gòu)偏離平衡位置。這與鉛芯橡膠支座、摩擦搖擺支座和彈塑性阻尼器的作用機(jī)理有本質(zhì)上的區(qū)別。

黏滯阻尼器裝置有效地用于動(dòng)態(tài)應(yīng)力作用下兩個(gè)結(jié)構(gòu)元件之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移的地方：例如大橋的橋面與橋臺(tái)之間或橋面與橋墩之間。當(dāng)阻尼器用于結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，可以用Maxwell力學(xué)模型進(jìn)行模擬，即一個(gè)彈簧單元與阻尼單元的串聯(lián)。其彈簧剛度為阻尼器自身剛度，通常由活塞桿截面決定。

圖1 阻尼器Maxwell力學(xué)模型示意圖

2 斜拉橋動(dòng)力特性及地震波選取

2.1 斜拉橋概況及有限元模型

某雙塔雙索面斜拉橋，橋梁全長(zhǎng)608 m，跨度布置為（124+360+124）m，采用鋼筋混凝土H型橋塔。應(yīng)用大型有限元軟件建立全橋三維有限元模型，箱梁、塔、索及墩身均采用梁?jiǎn)卧徊⒍诤爿d作為質(zhì)量附屬于節(jié)點(diǎn)上；在建立質(zhì)量矩陣時(shí)直接把這些荷載轉(zhuǎn)化成質(zhì)量。

圖2 全橋三維有限元模型

2.2 斜拉橋動(dòng)力特性分析

斜拉橋前10階模態(tài)計(jì)算結(jié)果如表1所示。其中第一階為橋梁水平方向振動(dòng)，周期為7.912 s，反映出橋梁縱飄的周期很長(zhǎng)，可能地震時(shí)橋梁的縱向位移較大。第二階和第三階為橫向振動(dòng)，圖3給出了大橋前兩階振型圖。

表1 大橋前10階模態(tài)

圖3 斜拉橋前兩階振型圖

2.3 地震波選取

一般實(shí)際工程很難有實(shí)測(cè)地震記錄波，本文根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》規(guī)范[12]可以采用人工合成的方式得到橋梁的地震動(dòng)加速度時(shí)程。首先根據(jù)抗震細(xì)則得到加速度反應(yīng)譜，根據(jù)規(guī)范本橋的反應(yīng)譜周期小于2 s時(shí)，加速度已經(jīng)非常小了，但本橋的一階自振周期達(dá)到6 s以上，如完全按照規(guī)范進(jìn)行的話，對(duì)該橋的抗震安全性十分不利，為此借鑒鐵路抗震規(guī)范的做法，修改所采用的加速度反應(yīng)譜，如圖4所示。根據(jù)修改后的加速度譜進(jìn)行人工合成了3條地震時(shí)程，其中一條如圖5所示。

圖4 修改的加速度反應(yīng)譜

圖5 一條地震波時(shí)程及反應(yīng)譜

3 黏滯阻尼器的斜拉橋減隔振效果

3.1 橋塔基底彎矩

在未設(shè)置減隔震支座工況下，支座基本是線性的，地震計(jì)算采用線性時(shí)程計(jì)算，驗(yàn)算墩頂、墩底等構(gòu)件受力。橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的過(guò)程實(shí)際上是橋梁結(jié)構(gòu)共振的過(guò)程，其地震響應(yīng)的強(qiáng)烈取決于結(jié)構(gòu)自振周期及地震烈度，對(duì)于該橋地震烈度并不是很大。對(duì)于不設(shè)置黏滯阻尼器的橋梁，計(jì)算了3條地震波下的橋梁彎矩包絡(luò)圖，計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)橋塔底部（即承臺(tái)底）彎矩最大值為2.23×106kN·m，如此大的彎矩對(duì)塔底部可能會(huì)產(chǎn)生破壞。

由于斜拉橋的箱梁及拉索均為鋼結(jié)構(gòu)，自身阻尼比小，抗震細(xì)則規(guī)定阻尼比為0.02。在進(jìn)行抗震模擬時(shí)，需要將阻尼單元放入模型中，并設(shè)置合理的參數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)非線性指數(shù)越小減震效果越好，本次分析選用的非線性速度指數(shù)為0.2，在每個(gè)塔上設(shè)置4個(gè)1 500 kN的黏滯性阻尼器，全橋共設(shè)置8個(gè)黏滯性阻尼器。

計(jì)算設(shè)置黏滯阻尼器后在3條地震波下的橋梁彎矩包絡(luò)圖，計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)塔底部的彎矩最大值為8.10×105kN·m，較未設(shè)置黏滯阻尼器時(shí)降幅比例達(dá)到60%，減震效果非常理想。

3.2 梁體位移

由于斜拉橋多為漂浮體系，縱向僅僅依靠拉索約束，而這些拉索均是鋼結(jié)構(gòu)，自身的阻尼比非常低，使得地震時(shí)梁體共振，縱向位移過(guò)大。所以對(duì)于斜拉橋來(lái)說(shuō)，縱向地震的另一個(gè)危害就是梁體縱向位移。圖6給出了未設(shè)置黏滯阻尼器時(shí)的3條地震波下的梁體縱向漂移曲線。從圖6可以看出，在地震時(shí)梁體的最大縱向位移高達(dá)0.9 m，如此大的位移對(duì)支座、伸縮縫、以及拉索均有較大安全隱患。所以必須考慮采取措施降低梁體位移，以提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能。

通過(guò)設(shè)置黏滯性阻尼器后，梁體位移大大降低，圖7是3條地震波下梁體的縱向位移曲線，最大值僅僅為0.086 m，較設(shè)置前降幅比例達(dá)90%，效果非常明顯。這是由于設(shè)置阻尼器后，整體橋梁系統(tǒng)的阻尼比大幅提升，地震時(shí)避免出現(xiàn)橋梁共振現(xiàn)象，圖7梁體的振動(dòng)時(shí)程也證實(shí)了這一點(diǎn)。

圖6 未設(shè)置阻尼器時(shí)的梁體地震縱向位移

圖7 設(shè)置黏滯阻尼器后的梁體地震縱向位移

4 結(jié)論

本文以一座大跨雙塔斜拉橋?yàn)檠芯繉?duì)象，分析了設(shè)置黏滯阻尼器和不設(shè)置黏滯阻尼器兩種情況下縱向地震對(duì)斜拉橋的影響，分析結(jié)論如下：

a）未設(shè)置阻尼器時(shí)，縱向地震力引起斜拉橋橋塔底部彎矩比較大，基本已超出結(jié)構(gòu)承載極限，必須進(jìn)行減隔震設(shè)計(jì)；設(shè)置縱向黏滯阻尼器，能夠大幅降低橋塔底部縱彎矩，從而提高斜拉橋的抗震能力。

b）縱向采用黏滯阻尼器，整體橋梁系統(tǒng)的阻尼比大幅提升，可以大幅減小斜拉橋梁體縱向地震下縱漂位移，黏滯阻尼器是一種有效的斜拉橋減震措施。