陽新高速公路橋梁粘滯阻尼器減震設計效果分析

郭建光 劉團結

摘 要：公路橋梁運行中，高烈度地震是其最大安全隱患，由其所致的次生災害能夠造成巨大經濟損失。陽新高速公路橋梁為大跨連續橋梁，處于不良地質區域，地震帶活躍，發生強烈地震的可能性較大，而橋梁自身的抗震能力有限，需要減震設計處理。運用粘滯斜向阻尼器+雙曲球支座，能夠對橫向地震、縱向地震進行有效控制。利用數值模擬分析阻尼器參數，且討論減震效果，從而確定配置的最優方案。以相關參數為評價指標，對阻尼器加設前后易損處地震響應進行比對，明確高烈度地震荷載下阻尼器的減震效果。結果顯示，液體粘滯阻尼器可協同各墩受力，增強結構整體性，還能有效彌補減震支座無法有效控制的上部結構位移缺點，降低罕遇地震力沖擊和損傷橋墩。所以，在大跨度橋梁中，阻尼器能夠有效抗擊高烈度地震。

關鍵詞：公路橋梁;連續梁;粘滯阻尼器;參數敏感性;減震設計效果

中圖分類號：U442.55 文獻標識碼：A

0 引言

黃河特大橋為陽新高速濮陽段二期工程，項目所在地區為黃河沖積平原，屬華北平原的一部分，地形平坦。上部地層多以粉土、粉細砂、粉質黏土為主，中下部主要為粉細砂、粉土、粉質黏土層，工程性質一般。該河段地質復雜，沖刷大，抗震設防烈度高沖刷大，主河槽沖刷水深26.09 m，灘地沖刷水深15.8 m，路段內存在軟弱土，呈不連續分布，且分布無規律，場地液化土分布較發育，屬抗震不利地段。其大橋跨徑布置形式為（80+8×120+80）m+（80+8×120+80）m，全長2 240 m，主跨120 m，最大聯長1 120 m，在同類橋梁中不多見，且位于高烈度地區，抗震設防難度大。當前主要減隔震設計為，一是延長結構的自振周期避開地震卓越周期;二類是利用阻尼耗能裝置來增加結構的阻尼消耗地震能量。而雙曲面球型減隔震支座不能獨自完成結構的抗震功能。但是，阻尼器作為一種有效的結構保護系統，正好彌補減隔震支座不能很好控制上部結構位移的缺點。

1 工程概況

陽新高速公路濮陽段南跨黃河，北接濮范高速，河南省內路線總長39.485 5 km，黃河特大橋工程南跨越省界及北大堤，于菏澤東高寨東部跨越黃河南大堤，終于黃河大橋南橋頭。高速公路陽新大橋全長8 127 m，橋寬2×16.56 m，工程地質復雜，抗震設防烈度高，沖刷大，屬典型游蕩性河段，主河槽擺動大，線路區域為黃河沖積平原，經過池塘和河溝較多，淺層土體中夾有含水量大、液限較高性粉質黏土和稍密狀粉土，其承載力低，工程性質差，為軟弱土。軟弱土分布較廣，厚度變化大，路區內多存在軟弱土，一般為軟塑～流塑狀粉質黏土和稍密狀粉土，其物理力學指標受地下水和地表水影響，路區軟弱土勘察主要以靜力觸探為主，錐尖阻力一般0.5 MPa～1.0 MPa。所以，應做好不良地質大跨度橋梁抗震工作，避免影響到墩臺安全。

2 模型的建立

2.1 主橋抗震設防標準

以陽新高速公路連續梁結構為研究對象，通過在墩頂處設置粘滯阻尼器，并配合雙曲面球型減震隔支座，利用雙曲面球型支座延長結構自振周期和粘滯阻尼器的耗能作用，分析阻尼器在高烈度地震作用下的應用效果。

2.2 震動輸入

此橋橋址場地為II類，屬8度區，特征周期0.45g。按照場地地震的安全性評估報告所示的地震動參數，運用50年2%的超越概率的安評波分析地震下（罕遇）非線性時程反應，加速度峰值0.39g。罕遇地震下以New mark-β法分析非線性動力時程，5%的結構阻尼比，地震波、瑞利阻尼分別按橫向、縱向輸入。其地震動參數值見表1。

由于此橋屬于高烈度地震帶，處于濕陷性黃土區，地質狀況比較復雜，按照《路橋規范》要求，安評報告中的中波峰值設計為9度地震時峰值，也即是以0.63g分析其減震。

2.3 橋梁結構的模態分析

以Pitz多重向量法模態分析三元有限元模型，分析所得自振特性為：（1）縮短了連續梁基本周期，約是0.92 s，結構為短周期，縱飄型一階振型。（2）與單跨簡支梁相比，連續梁橋跨間約束影響與其具有天然的密集模態分布特征。（3）主梁受固定度約束，主梁產生縱飄整個橋墩會在此牽引下而發生縱向變形。（4）大跨連續梁一階豎彎和橫彎都相對靠前。

3 粘滯阻尼器參數值的敏感性

由于此連續梁2# ～4#墩的結構為粗柱，結構非常強，1#與5#墩的結構為細柱，結構相對弱。加之此橋屬高速公路橋，地震烈度強大，橋梁抗震設計防護要求都非常高，橋面寬度非常寬，整體重量也非常重，所以，共設置阻尼器16個，計算分析如下。粘滯阻尼力和速度間的關系公式表示為：，其中，阻尼力（kN）表示為F，阻尼系數（kN.s/m）以C表示，阻尼器梁段的相對速度以V表示，單位為m/s。速度指數以表示，取值范圍為0.19～2.0間，此文獻對速度指數低于0.3的阻尼器進行了詳細論述，認為其可靠性非常低，不建議采用此類阻尼器。

橋梁抗震作用研究的關鍵點主要表現在以下兩方面。一是關鍵部位的結構內力，二是地震作用下橋梁結構的位移。此橋梁的阻尼器作用主要是縱向地震作用下橋梁墩底的受力抑制，以及縱向橋作用下橋梁關鍵部位的位移分析，即梁端分析。所以，利用對比梁端位移、墩底內力展開其抗震作用研究，并以此確認阻尼器參數的影響，與阻尼器阻力大小相結合，最終合理確定此橋梁阻尼器的參數。

通過分析阻尼器參數的敏感性，對梁端位移、墩底最大彎矩和剪力，以及阻尼器的最大減震效果與經濟效益等進行綜合考慮。其中，增加阻尼系數（C），阻尼力水平就會顯著提升，增大阻尼力，不但會導致阻尼器體積質量的增加，也會增加阻尼器的加工制作要求，以及其安裝施工難度。此外，增大阻尼系數，也會增強其同墩梁連接處的強度要求。所以，本文最終選定的阻尼器參數值是：C=3 000 kN.S/m，0.7。

4 減震效果分析

通過分析眾多實際工程和大量研究成果，發現在強地震或地震荷載作用下，橋梁易損部位常見于墩梁、墩頂連接處和墩底處。強地震作用下，成橋墩處的混凝土容易開裂，鋼筋屈服超出其結構最大承載力，致使結構能力下降，提前退出工作。尤其是強地震，橋梁上部、橋墩間極易形成較大的相對位移，從而導致落梁危險。防止落梁必須控制好斜橋、高墩橋梁、曲線橋的上部、下部結構的相對位移。

此外，在橋梁日常運用中，車輛荷載作用，剎車荷載作用，這種反復作用導致橋梁活動墩的墩梁發生滑移，而這類滑移很難自動復原。長期荷載作用下，此相對滑移距離日益增大，從而威脅橋梁結構安全和正常使用。通常情況下，橋梁設計主要借助橋梁結構自身強度去抗擊地震荷載沖擊，以及車輛荷載作用，這不但增加了橋梁自身結構強度的要求，也存在許多無法控制的因素，如行車制動因素，罕見地震因素等，在這些不可控因素的制約下，極易導致橋梁結構疲勞和破壞，降低其使用壽命。

由粘滯阻尼器的減震消能角度，合理選取墩梁的相對位移、墩頂的水平受力、墩底的彎矩和剪力，且以此為量化指標，分析比對架設阻尼器前、后，高強地震荷載下的橋梁結構響應狀況，以此驗證粘滯阻尼器減震作用的大小。限于篇幅，本文僅給出3#墩在強震50年、2%超越概率下的ST5021波設計計算結果，且考慮剪斷固定支座，結構易損處的地震響應狀況。

由分析結果可知，設置阻尼器后，3#墩的墩頂水平受力增加，現在降低了墩梁間的相對位移，其最大減震率為51%。其主要原因是，9度的高強度地震荷載作用破壞了橋墩的上支座，使其退出工作，整橋依靠阻尼器去連接橋墩和主梁，所以，增加阻尼器后，橋墩墩頂的剪力增加，若沒有阻尼器，因支座被破壞，橋梁間的縱向就無相應的約束，墩頂的水平力非常小。然而，阻尼器的減震消能作用減小了墩梁間的相對位移，主梁縱向滑移得到控制，整個橋梁的穩定性得到加強。

加用阻尼器之后，高強地震的荷載作用下，3#墩的墩底彎矩、剪力等都明顯減小，最大剪力減震率約為4%，最大彎矩減震率約為6%。通過分析比較其他橋墩、墩底的彎矩受力狀況發現，除3#墩外，5#墩、1#墩的墩底彎矩明顯下降，4#墩、2#墩的墩底彎矩明顯增加，但橋墩的整體受力明顯減小。這說明，加用阻尼器之后，各橋墩的受力被重新分配，橋梁的整體受力變得更加均衡，部分地震能量被阻尼器耗能作用所吸收，橋梁受到的整體地震力明顯降低。

5 結論

因高強地震區的地震具有超強的破壞性和隨機性，大跨度橋梁自身強度能夠抵抗地震沖擊，但卻不能完全避免地震沖擊的破壞性，加用粘滯阻尼器減隔震裝置，可以通過強化橋墩、橋梁結構來抵抗地震的破壞力。大量工程實踐及研究成果證實，加用阻尼器，能夠有效消能減震，進而保護橋體。選用粘滯阻尼器設計橋梁減震時，需要首先確定相關的良好指標，如橋墩內力、梁段位移等，通過分析阻尼器參數的敏感性優化和確定最優的設置方案。設置液體粘滯阻尼器，能夠有效降低罕遇地震所致的墩梁相對位移、主梁的縱向振動位移幅值，進而有效規避或減少落梁的發生幾率。

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