大跨度斜拉橋粘滯阻尼器參數敏感性分析

摘" 要：為研究不同參數選擇下非線性粘滯阻尼器對大跨度斜拉橋抗震性能的影響，以主跨為280 m的雙塔雙索面預應力混凝土斜拉橋為工程背景，對非線性粘滯阻尼器的關鍵參數進行敏感性分析，主要針對阻尼系數C和阻尼指數ξ，通過數值分析方法，確定粘滯阻尼器的最佳參數配置。結果顯示，通過改變粘滯阻尼器的C與ξ參數可以調節梁端位移，隨著阻尼參數的增大梁端位移逐漸減小；隨著阻尼參數的增加，墩底剪力總體呈現增加趨勢，墩底彎矩總體呈現減小趨勢；該橋最佳阻尼器參數組合為ξ=0.3和Ｃ=2 000 kN·s·m-1。

關鍵詞：大跨度斜拉橋；粘滯阻尼器；參數敏感性分析；抗震性能；數值分析

中圖分類號：U442.55" " " 文獻標志碼：A" " " " " "文章編號：2095-2945（2024）35-0１１７-0４

Abstract： To study the influence of nonlinear viscous dampers on the seismic performance of long-span cable-stayed bridges under different parameter selections， a sensitivity analysis was conducted on the key parameters of nonlinear viscous dampers， mainly focusing on the damping coefficient C and damping index ξ， using a double tower double cable plane prestressed concrete cable-stayed bridge with a main span of 280 meters as the engineering background. The optimal parameter configuration of viscous dampers was determined through numerical analysis methods. The results show that the displacement of the beam end can be adjusted by changing the C and ξ parameters of the viscous damper， and the displacement gradually decreases with the increase of damping parameter; With the increase of damping parameters， the overall shear force at the bottom of the pier shows an increasing trend， while the bending moment at the bottom of the pier shows an overall decreasing trend. The optimal damper parameter combination for this bridge is ξ=0.3 and Ｃ=2 000 kN·s·m-1.

Keywords： large-span cable-stayed bridge; Viscous damper; Parameter sensitivity analysi; Seismic performance; numerical analysis

中國是一個地震多發、地震烈度高的國家，許多地方位于地震活動區[1-2]。作為交通的命脈，橋梁在地震后的災害救援過程中扮演著至關重要的角色。一旦橋梁被地震摧毀，會對生命安全和財產安全造成很大的影響[3]。近年來，隨著對橋梁結構抗震性能的深入研究，采用減震、隔振裝置已經成為熱門課題[4-6]。尤其在大跨度斜拉橋中，粘滯阻尼器因其卓越的減振效果而被廣泛運用[7-11]。不僅在重慶的鵝公巖大橋和上海的盧浦大橋等橋梁中，已經成功引入了粘滯阻尼器來強化抗震能力，而且該技術的應用也得到了業界的廣泛認可。然而，非線性粘滯阻尼器的應用仍需進一步探索和驗證，以提供更加穩定可靠的抗震效果。在未來的研究和實踐中，將會有更多的創新技術和方法涌現，為橋梁工程的安全保障提供有力支持。本文以長潭河溇水特大橋為背景，建立有限元全橋抗震模型，橋墩下方采用群樁基礎，考慮樁土之間相互作用，橋墩與主梁之間設置非線性粘滯阻尼器（每個索塔配置2個，共4個）。分析阻尼器不同參數取值對該橋梁端位移、墩底彎矩、墩底剪力等地震響應的減震效果，研究大跨度雙塔雙索面預應力混凝土斜拉橋阻尼器力學參數的合理取值。

1" 工程概況

長潭河溇水特大橋橋跨布置為（2×30+5×40+（127+280+127）+5×40+2×30） m。主橋平面位于直線上，橫坡2%雙向坡，縱向2%單向坡。橋梁上跨婁水河、省道、鄉道。溇水河為娃娃魚保護區，2個主墩均不在水中，距離河岸最近主墩約40 m。主橋采用（127+280+127） m預應力混凝土斜拉橋。主梁采用π型梁，梁高2.4 m，主橋寬28.5 m。斜拉索采用空間雙索面，中跨標準索距8 m，邊跨加密區索距6 m。主塔采用H型花瓶式橋塔，主塔設置兩道橫梁。承臺頂設置基座，基座高1.5 m。基礎采用4×6-2.8 m直徑樁基礎。該橋立面布置圖如圖1所示。

2" 有限元模型

2.1" 有限元模型的建立

本次抗震計算采用midas/civil 2020程序，有限元模型建立如圖2所示。

2.2" 粘滯阻尼器的布置

全橋計算模型采用4個粘滯阻尼器彈簧單元，考慮相對比較高階的振型影響。如圖2所示，橋墩編號從左至右依次為2#、3#，4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#、11#、12#、13#、14#、15#。粘滯阻尼器的阻尼系數C和阻尼指數ξ決定了阻尼器的耗能性能，同時影響結構的減震效果，因此本文采用時程分析試算來決定最優阻尼參數。每個塔設置2個阻尼器，全橋共設置4個。本橋支座布置如下所述：①普通模式下8#、9#索塔采用雙向活動支座；②在8#、9#索塔與梁之間各加裝2個粘滯阻尼器（FD）單元。分析過程中不考慮活動支座的順橋向摩擦力影響。

2.3" 地震波的選取及輸入

根據JTG/T 2231-01—2020《公路橋梁抗震設計規范》，溇水河特大橋主橋為A類橋梁，橋址所在地抗震設防烈度為Ⅵ度，設計基本地震加速度為0.05g，地震反應譜特征值0.35 s，場地類別為Ⅱ類。根據地震安評單位提供《安評報告》該斜拉橋阻尼比取為0.03，阻尼采用瑞利阻尼。

根據地質安評報告，E1地震作用采用100 a超越概率10％的時程波，對應的重現期為950 a，用以檢算強度跟應力；E2地震作用采用100 a超越概率4％的時程波，對應的重現期為2 500 a。在分析結構地震響應時，分別考慮順橋向+豎向和橫橋向+豎向地震力作用。E1、E2地震作用下各地震動時程曲線如圖3、圖4所示。

3" 粘滯阻尼器參數敏感性分析

3.1" 阻尼參數選取

粘滯阻尼器采用Maxwell粘彈性模型。Maxwell模型如圖5所示。

Maxwell模型數學表達式為

F=k×dk=CVξ，

式中：k為串聯彈簧的剛度（本文取106）；dk為彈簧變形量；C為阻尼器阻尼系數；V為相對運動速度（本文取1 m/s）；ξ為阻尼指數。

影響阻尼器阻尼力最關鍵的2個因素為阻尼系數C和阻尼指數ξ。在工程設計過程中，選擇合適的參數至關重要，將直接影響阻尼器對結構的相應情況。在不同的結構和不同的項目中，選用的參數通常會不一樣。因此，針對特定結構，在特定的工程環境下，應該進行系統的阻尼器參數分析，選用合適的參數可達到事半功倍的效果。

3.2" 阻尼器參數敏感性分析

不同阻尼參數下，梁端位移、墩底彎矩、墩底剪力、阻尼力變化曲線如圖6所示。

從圖6（a）、（b）可以看出，通過改變粘滯阻尼器的C與ξ參數可以調節梁端位移，隨著C的增大與ξ的減小，梁端位移逐漸減小。

從圖6（c）—（f）中可以看出，當ξ恒定時，隨著C的增加，墩底最大彎矩力先減小后增大，并且存在明顯的拐點，阻尼指數ξ在下降階段趨于較小的0.3～0.4值，在上升階段趨于較大的0.5～0.6值。

從圖6（g）—（j）中可以看出，當ξ恒定時，隨C的增加，墩底剪力總體呈現增加趨勢，在C=2 000 kN·s·m-1處有明顯的拐點。

從圖6（k）、（l）中可以看出，當C值恒定時，隨著阻尼參數ξ的增加，最大阻尼力一般呈減小趨勢，當ξ值恒定時，隨阻尼參數C的增加，最大阻尼力通常呈增加趨勢。對于這座橋，當控制最大阻尼力是優化目標時，阻尼器參數往往采用較大的ξ值和較小的C值。

4" 結論

本文以長潭河溇水特大橋為背景，建立有限元全橋抗震模型，橋墩下方采用群樁基礎，考慮樁土之間相互作用，橋墩與主梁之間設置非線性粘滯阻尼器（每個索塔配置2個，共4個）。分析阻尼器不同參數取值對該橋梁端位移、墩底彎矩、墩底剪力等地震響應的減震效果、全橋結構地震響應結果，并得出以下結論：①大跨度斜拉橋在橋墩與主梁之間設置非線性粘滯阻尼器（每個索塔配置2個，共4個）， 可以有效地減少主梁的縱向位移，提高其抗震性能，同時優化索塔的剪力和彎矩。不同的阻尼器參數對結構的影響不同。②根據分析結果，綜合考慮安裝與經濟性，粘滯阻尼器最優參數為ξ=0.3，C=2 000 kN·s·m-1。

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