河口大橋液體黏滯阻尼器參數分析

曾志剛

（甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

1 工程概況

隨著社會經濟的發展、科學技術的創新及各種各種行業學術理論的進步，我國的交通事業得到了快速發展。特別是近年來，我國修建了許多位于世界技術前沿的大跨特殊橋梁結構。隨著結構在跨度和高度上的突破，抗震問題也成為橋梁工程理論研究和設計施工人員需要面對的重點及難點。為跨越黃河河口水庫而建設的河口大橋是蘭州（新城）至永靖沿黃河快速通道的重點控制性工程。大橋主橋為雙塔雙索面結合梁斜拉橋，主跨跨徑360 m，邊跨跨徑177 m，主塔高99 m；兩邊跨各設置一個輔助墩，主橋孔跨布置為77 m+100 m+360 m+100 m+77 m，主橋全長714 m，如圖1所示。為提高主橋的抗震性能并滿足施工需要，主梁采用鋼-混凝土結合梁。斜拉索采用空間雙索面扇形布置。橋塔采用鋼筋混凝土A字型塔，塔高99 m，塔柱采用弧形空透隔板連接[1]。

圖1 河口大橋橋型布置圖（單位：m）

河口大橋為目前甘肅省最大跨度的斜拉橋，也是我國8度及以上地震區最大跨度斜拉橋。對于半飄浮體系斜拉橋，設置液體黏滯阻尼器是一種十分有效的消能減震措施[1]。在地震發生時，黏滯阻尼器作為一種被動消能裝置，通過使阻尼器兩端產生相對位移，來吸收和耗散地震以及風荷載在橋梁中產生的能量，同時不會對結構產生附加內力，基于以上特點，黏滯阻尼器在國內外的大跨度橋梁抗震控制中得到了較為廣泛的應用[2-5]。

2 河口大橋阻尼器的設置位置和參數選擇

河口大橋位于高地震區，需采取適當的減隔震措施來改善橋梁結構的抗震性能。若要使結構關鍵部位位移有效減小，結構受力更加合理，結構碰撞的力度減小或避免二者相撞，通過計算機仿真模擬計算，需在橋塔處設置液壓非線性黏滯阻尼器，所以該橋在每個橋塔處設置兩個阻尼器，阻尼器設置在鋼主梁和橋塔下橫梁之間，具體設置如圖2所示。

圖2 河口大橋阻尼器布置（單位：mm）

黏滯阻尼器的阻尼力通常由下式確定：

式中：C為阻尼系數，由活塞頭的面積決定；V為套筒的速度；α為速度指數，實際工程中，0.3≤α≤0.1，當α=1時，為線性黏滯阻尼器；α≠1時，為非線性黏滯阻尼器，速度較小時阻尼器具有足夠大的阻尼力，且隨速度的增大而增大，當速度足夠大時，阻尼力增加幅度變小。因此這種力-速度關系的優點在于在速度較大時，力趨于平穩。

本文使用數據依托為甘肅省地震局提供的地震安全性評價報告，采用分析方法為非線性時程方法，以計算機仿真模擬對組合梁斜拉橋進行地震響應分析。由式1可知，橋梁的地震響應結果取決于黏滯阻尼器的速度指數α和阻尼系數C兩個參數的取值，本文通過分析以上兩個參數取值不同時的結構地震響應結果，以確定一組適用于本橋的最優參數組合。

表1 液體黏滯阻尼器參數C和 取值表

3 河口大橋液體黏滯阻尼器的參數分析

采用MIDAS Civil有限元計算程序中的黏彈性阻尼單元（Viscoelastic Damper）對阻尼單元進行模擬，比較分析橋梁關鍵位置的變形和內力來確定黏滯阻尼器參數的合理取值。

3.1 變形響應計算分析

圖3~圖6表示了塔頂和梁端縱向縱向位移峰值隨阻尼參數的變化規律。

圖3 塔頂縱向位移隨速度指數α的變化規律

圖4 塔頂縱向位移隨阻尼系數C的變化規律

由圖3~圖6可知，在斜拉橋主梁和橋塔間設置黏滯阻尼器后：

圖6 梁端縱向位移隨阻尼系數C的變化規律

（1）在縱向地震動作用下，斜拉橋塔頂縱向位移與不設置阻尼器相比顯著減小，梁端的縱向位移與不設置阻尼器相比也明顯減小。阻尼參數取值不同時，減震效果也不同，當阻尼系數C分別取2 000、5 000、8 000、10 000、12 000、15 000時，塔頂縱向變形響應減小的最大百分比分別為50.7%、74.6%、77.5%、79.4%、81.3%、83%，梁端縱向變形響應減小的最大百分比分別為46.9%、72.8%、77.4%、79.3%、80.4%、81.8%。

（2）當阻尼系數C不變時，塔頂和梁端縱向位移均隨著速度指數的增大而增大。當速度指數在0.2和0.4之間時，變形響應變化趨于平緩，在速度指數后，變形響應放大趨勢加快。

（3）當阻尼器速度指數不變時，塔頂和梁端縱向位移均隨著阻尼系數C的增大而減小。當阻尼系數C在2 000和8 000之間時，變形響應衰減相對較快，在C=8 000后，衰減趨勢趨于平緩。

圖5 梁端縱向位移隨速度指數α的變化規律

3.2 內力響應計算分析

圖7至圖12分別為塔底彎矩、剪力和阻尼力響應峰值隨C和的變化規律。

由圖7~圖12可以得出，在斜拉橋主梁和橋塔間設置黏滯阻尼器后：

圖7 塔底彎矩隨速度指數α的變化規律

圖12 阻尼力隨阻尼系數C的變化規律

（1）在縱向地震動作用下，斜拉橋塔底彎矩和剪力與不設置阻尼器相比均有所減少，其中彎矩減少更為明顯。阻尼參數取值不同時，減震效果也不同，當阻尼系數分別取2 000、5 000、8 000、10 000、12 000、15 000時，塔底彎矩減小的最大幅度分別為47.0%、64.9%、67.3%、68.3%、69.7%、70.0%，塔底剪力減小的最大幅度分別為20.1%、19.7%、17.9%、17.1%、16.6%、16.4%。

（2）當阻尼系數C不變時，塔底彎矩基本上隨著速度指數的增大而增大，在速度指數在0.2和0.4之間時，塔底彎矩變化較為平緩，在速度指數大于0.4后，塔底彎矩成放大趨勢；當速度指數不變時，塔底彎矩隨著阻尼系數C的增大而減小。阻尼系數C在2 000和8 000之間時，塔底彎矩衰減相對較快，在C=8 000后，衰減趨勢趨于平緩。

（3）阻尼系數C取值較小時，黏滯阻尼器可有效降低塔底剪力，但當阻尼系數較大時，反而對塔底的剪力產生了增大效應，這是因為當阻尼系數增大到一定值后，阻尼力的增大效率超過由于黏滯阻尼器的耗能導致的塔底剪力的減小速率，因此塔底剪力開始隨著阻尼系數C的增大而不斷增大。

（4）當阻尼系數C不變時，阻尼力隨著速度指數的增大而減小，阻尼力的變化規律基本與速度指數成線性關系；當速度指數不變時，阻尼力隨著阻尼系數C的增大而增加。阻尼系數C在2 000和8 000之間時，阻尼力增大趨勢相對較快，在C=8 000后，阻尼力增大趨勢相對趨于平緩。

圖8 塔底彎矩隨阻尼系數C的變化規律

圖9 塔底剪力隨速度指數α的變化規律

圖10 塔底剪力隨阻尼系數C的變化規律

圖11 阻尼力隨速度指數α的變化規律

由以上分析可知，速度指數越大，結合梁關鍵部位的縱向變形及內力也越大，阻尼器的減震效果較差，因此速度指數不宜取較大值；阻尼系數C越大，結合梁關鍵部位的縱向變形及內力越小，阻尼器的減震效果較好，但阻尼系數過大會造成阻尼器的尺寸、噸位過大、阻尼器連接處內力過大，經濟性較差。綜合考慮以上因素，河口大橋阻尼器參數確定為：阻尼系數C，速度指數。此時，塔頂和梁端縱向位移峰值分別由原來的57.8 cm和59.3 cm降低至13.7 cm和15.4 cm，減小幅度分別為76.3%和74.0%；塔底的彎矩和剪力響應峰值分別由原來的700 742 kN/m和11 952 kN降低至228 954 kN/m和9 908 kN，減小幅度分別為67.3%和17.1%。

4 結 語

（1）液體黏滯阻尼器的耗能減振效果十分明顯，在本橋主梁和橋塔間設置縱向液體粘滯阻尼器可有效降低結構關鍵部位的變形和內力。

（2）結構的減震效果取決于阻尼參數的取值，增大阻尼系數C或者減小速度指數均可以減小結構關鍵部位的變形響應和地震力。阻尼器最優的參數選擇應該是滿足結構較好的減震效果并盡量降低阻尼器的內力，以降低阻尼器的制造和安裝成本。

（3）綜合考慮阻尼系數C和速度指數不同取值下結構變形和內力的減震情況，河口大橋阻尼器參數經優選確定為：阻尼系數，速度指數。