大跨度斜拉橋粘滯阻尼器抗震性能分析

劉 明 喻 梅

(1.天津市政工程設(shè)計研究院四川分院，四川 成都 610000; 2.重慶交通大學，重慶 400074)

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大跨度斜拉橋粘滯阻尼器抗震性能分析

劉 明1喻 梅2

(1.天津市政工程設(shè)計研究院四川分院，四川 成都 610000; 2.重慶交通大學，重慶 400074)

對大跨度斜拉橋進行了地震非線性動力時程響應(yīng)分析，通過改變阻尼器參數(shù)，取得了不同阻尼特性下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特征，并對比選出了最合適的阻尼特性參數(shù)，為同類型橋梁的地震減隔震分析提供借鑒。

斜拉橋，粘滯阻尼器，時程分析，抗震性能

1 概述

阻尼參數(shù)對結(jié)構(gòu)動力特性起著非常重要的作用，也是影響結(jié)構(gòu)地震動力響應(yīng)重要的參數(shù)之一。在一般常規(guī)橋梁結(jié)構(gòu)的地震動力響應(yīng)分析中，結(jié)構(gòu)的阻尼特性常以阻尼比或者以瑞利阻尼形式加以考慮。而對于非線性結(jié)構(gòu)或?qū)τ诰哂蟹蔷鶆蜃枘岬拇罂缍葮蛄?如斜拉橋、懸索橋等)的地震響應(yīng)分析中，為了更準確分析結(jié)構(gòu)的地震動響應(yīng)，則需要采用更準確的方法考慮結(jié)構(gòu)的阻尼特性。對于大跨度橋梁，支座阻尼器的選取是影響結(jié)構(gòu)抗震性能的重要影響因素之一。本文對大跨度斜拉橋采用液體粘滯阻尼器進行抗震分析，通過對比分析無阻尼、各種阻尼參數(shù)條件下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，進而得出適合本橋的最優(yōu)阻尼參數(shù)。

2 計算模型

大跨度斜拉橋橋跨布置為(217+538+217)m，主梁斷面為流線形鋼箱梁，主梁寬31.5 m。主梁以上橋塔塔高180 m。采用大型橋梁計算軟件Midas Civil2015進行有限元分析，其中主梁、橋塔、橋墩采用空間梁單元，斜拉索采用桁架單元。主梁和邊墩之間豎向采用彈性連接，塔梁間豎向和橫向采用彈性連接。主梁在順橋向漂浮，通過縱向粘滯阻尼器來限制其縱向變形。順橋向粘滯阻尼器采用一般連接的粘彈性效能器模擬，橫橋向阻尼支座采用一般連接的滯后系統(tǒng)模擬。全橋有限元模型如圖1所示。

3 地震動參數(shù)

本文通過工程場地地表面處50年超越概率為10%，阻尼比為5%的地震動加速度反應(yīng)譜，根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細則》得到地表處地震動加速度時程曲線，選取其中3條地震波作為本橋進行輸入地震波?，F(xiàn)給出50年超越概率10%的三條地震波時程曲線如圖2所示。

4 液體粘滯阻尼器及其參數(shù)選擇

4.1 選擇參數(shù)

由于篇幅本文僅僅列出50年10%超越概率水準下的加速度時程曲線作為水平向地震動輸入，豎向取水平向的0.63倍作為地震動的輸入，采用非線性時程分析法進行地震響應(yīng)計算分析。由于粘滯阻尼器的阻尼系數(shù)C和阻尼指數(shù)ξ的取值不同，結(jié)構(gòu)的地震動響應(yīng)也隨之不同。為了確定最合理的結(jié)構(gòu)阻尼參數(shù)，本文構(gòu)造不同阻尼參數(shù)樣本，并在橋梁支座采用不同阻尼參數(shù)時，對其進行地震響應(yīng)分析。研究地震響應(yīng)與阻尼參數(shù)之間的相關(guān)性，以便得出最合理的支座阻尼參數(shù)。本文阻尼參數(shù)C和ξ樣本取值如表1所示。

表1 粘滯阻尼器阻尼參數(shù)樣本C,ξ值

ξC=1500C=2000C=2500C=3000C=3500C=40000.20.20.20.20.20.20.20.30.30.30.30.30.30.30.50.50.50.50.50.50.50.70.70.70.70.70.70.71111111注:C的單位為kN·m-ξ·sξ

4.2 不同阻尼器參數(shù)的地震響應(yīng)分析

本文通過有限元分析得到不同參數(shù)阻尼時的橋梁關(guān)鍵部位的動力響應(yīng)，如塔頂位移，主梁位移，塔底彎矩，塔底剪力等。隨后研究這些動力響應(yīng)與支座阻尼參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，在這些研究基礎(chǔ)上提出了適合本橋的支座阻尼器參數(shù)。由于篇幅限制，本文僅列出順橋向塔頂位移，順橋向塔底彎矩的計算結(jié)果。

4.2.1 塔頂縱向變形分析

表2列出了阻尼參數(shù)C和ξ的不同取值時橋塔頂?shù)卣痦憫?yīng)峰值，圖3，圖4分別為塔頂縱向變形隨C和ξ的變化規(guī)律。

表2 塔頂縱向變形響應(yīng)峰值 cm

從表2和圖3,圖4可以看出阻尼參數(shù)與結(jié)構(gòu)地震動力響應(yīng)有如下相關(guān)關(guān)系：1)采用阻尼支座時，順橋向地震響應(yīng)顯著減小，與無阻尼器相比，阻尼系數(shù)分別為1 500，2 000，2 500，3 000，3 500，4 000時，塔頂縱向變形響應(yīng)峰值分別減小了70.4%，73.4%，77.8%，79.9%，80.1%，79.3%。2)從塔頂縱向變形隨阻尼參數(shù)C，ξ變化曲線可以看出，塔頂縱向變形響應(yīng)峰值隨著阻尼指數(shù)ξ的增大而增大，隨著阻尼系數(shù)C的增大而減小。

4.2.2 塔底彎矩計算分析

表3列出了阻尼參數(shù)C和ξ的不同取值時橋塔底順橋向地震響應(yīng)彎矩峰值，圖5,圖6分別為塔底彎矩隨C和ξ的變化規(guī)律。

表3 塔底順橋向彎矩峰值 ×105 kN·m

由表3和圖5，圖6可以得出在塔梁間設(shè)置了粘滯阻尼器之后有如下結(jié)果：

1)阻尼支座對彎矩響應(yīng)制震效果較為顯著。與無阻尼相比，阻尼系數(shù)C分別為1 500，2 000，2 500，3 000，3 500，4 000時，塔底彎矩峰值減小的幅度分別為46.8%，48.5%，50.0%，48.4%，42.2%，35.8%。

2)從塔底彎矩峰值隨阻尼系數(shù)C，ξ變化曲線可得到，當阻尼系數(shù)C<3 000時，塔底彎矩峰值隨著阻尼指數(shù)ξ的增大而增大；

當阻尼系數(shù)C≥3 000時，塔底彎矩峰值隨阻尼指數(shù)ξ的增大呈先減小后增大趨勢。當阻尼指數(shù)ξ>0.2時，塔底彎矩峰值隨阻尼系數(shù)C的增大而減小，當ξ=0.2時，塔底彎矩峰值隨阻尼系數(shù)C的增大先減小后增大。

5 結(jié)語

從圖3～圖6可以看出，總體上阻尼器減隔震效果比較顯著。從地震動力響應(yīng)與阻尼系數(shù)相關(guān)性來看，地震動力響應(yīng)峰值與阻尼指數(shù)ξ近似成正比例關(guān)系，即塔頂和梁端變形峰值、塔底彎矩峰值隨阻尼指數(shù)ξ增大而增大。地震動力響應(yīng)與阻尼系數(shù)C近似成反比例關(guān)系，即塔頂和梁端變形峰值、塔底彎矩峰值隨阻尼系數(shù)C增大而減小。由此得出，實際應(yīng)用中阻尼指數(shù)ξ不宜過大，宜取小一些。大跨度橋梁支座粘滯阻尼器阻尼指數(shù)取值約在0.1～0.5之間。按照相關(guān)性關(guān)系，阻尼系數(shù)C應(yīng)取大值。但阻尼系數(shù)C增大，會導致阻尼器噸位變大、阻尼器與橋梁連接部位內(nèi)力增大。由此會導致結(jié)構(gòu)受力性能和經(jīng)濟性變差，因此阻尼系數(shù)C也不宜過大?；谝陨戏治觯C合考慮經(jīng)濟性、結(jié)構(gòu)受力合理性和減隔震效果，本橋阻尼器阻尼參數(shù)C，ξ均取偏小值，即阻尼系數(shù)C=2 500 kN·m-0.2·s0.2，阻尼指數(shù)ξ=0.2。 此時，塔頂和梁端縱向變形峰值分別由無阻尼時的73.5 cm和65.4 cm降低至16.9 cm和12.1 cm；塔底的彎矩響應(yīng)峰值由無阻尼時的17.4×105kN·m降低至8.6×105kN·m，阻尼器減隔震效果較好，滿足工程抗震要求，結(jié)構(gòu)受力和經(jīng)濟性也較為合理。

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Analysis on fluid viscous damper seismic performance of large-span cable-stayed bridge

Liu Ming1Yu Mei2

(1.TianjinMunicipalEngineeringDesignAcademySichuanBranchCompany,Chengdu610000,China;2.ChongqingUniversityofTraffic,Chongqing400074,China)

The paper carries out seismic non-linear dynamic time-history response analysis of large-span cable-stayed bridge. Through changing damper parameters, it obtains structural response performance under different damper features, and finally achieves appropriate damper parameters through comparative analysis, which has provided some guidance for similar bridge seismic reduction and isolation.

cable-stayed bridge, fluid viscous damper, time-history analysis, seismic performance

1009-6825(2016)20-0160-02

2016-05-08

劉 明(1979- )，男，博士，工程師

U441.3

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