黏滯阻尼作用下高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)-拱組合橋減震效果分析

王曉鵬

（蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，蘭州 730000）

大跨度連續(xù)剛構(gòu)-拱組合橋是目前結(jié)構(gòu)比較新穎、發(fā)展空間很大的一種橋梁。連續(xù)剛構(gòu)-拱組合橋主要由梁承擔(dān)梁體自重，由梁、拱共同承擔(dān)二期恒載和活載，荷載在梁、拱中產(chǎn)生的內(nèi)力大部分轉(zhuǎn)變?yōu)樾纬勺云胶怏w系的相互作用力［1-2］。與常規(guī)梁拱組合橋相比，雖然該類橋的拱與梁在受力方面的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮，大大削減了結(jié)構(gòu)彎矩和剪力的峰值，但其仍保留連續(xù)剛構(gòu)橋剛度大的特點(diǎn)，墩頂與梁底固結(jié)處、墩底在地震荷載作用下均會(huì)形成塑性鉸，對(duì)墩身的損傷較大［3］。因此，連續(xù)剛構(gòu)-拱組合橋的抗震成為該類橋亟待解決的問(wèn)題。

傳統(tǒng)抗震方法是依靠構(gòu)件的彈塑性變形來(lái)吸收地震能量。該方法在一般情況下有效，但仍存在一些問(wèn)題，如采用該方法須構(gòu)件截面比較大，會(huì)浪費(fèi)材料。而通過(guò)在結(jié)構(gòu)某些部位設(shè)置黏滯阻尼器，可依靠該裝置產(chǎn)生的摩擦、彎曲以及彈塑性滯回變形來(lái)消散或吸收地震產(chǎn)生的能量，從而達(dá)到減震目的［4］。黏滯阻尼器是目前最常用的消能減震裝置，在各類結(jié)構(gòu)中均表現(xiàn)出顯著的減震效果。文獻(xiàn)［5］探討了液體黏滯阻尼器應(yīng)用于超高層建筑中的相關(guān)問(wèn)題。文獻(xiàn)［6-7］研究了液體黏滯阻尼器的阻尼系數(shù)對(duì)高速鐵路連續(xù)梁橋動(dòng)力特性的影響。文獻(xiàn)［7］研究了黏滯阻尼器參數(shù)、安裝位置對(duì)自錨式懸索橋減震效果的影響。文獻(xiàn)［8］通過(guò)在連續(xù)剛構(gòu)橋邊墩墩頂設(shè)置黏滯阻尼器，分析黏滯阻尼器參數(shù)與墩底地震響應(yīng)、墩梁相對(duì)位移的關(guān)系，探討?zhàn)枘崞鲗?duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響?？偟膩?lái)說(shuō)，目前黏滯阻尼器在高墩大跨度橋梁的運(yùn)用較為廣泛，但對(duì)連續(xù)剛構(gòu)-拱組合橋的減震效果研究較少。

基于此，本文以西（安）—延（安）高速鐵路連續(xù)剛構(gòu)-拱組合橋?yàn)楣こ瘫尘?，利用?shù)值模擬方法分析在該橋兩邊墩墩頂設(shè)置液體黏滯阻尼器后地震作用下墩底內(nèi)力及主梁位移的變化情況，繼而通過(guò)改變阻尼參數(shù)分析橋墩內(nèi)力隨參數(shù)的變化情況，確定該組合橋減震效果最佳時(shí)的阻尼參數(shù)。

1 工程概況

西延高速鐵路連續(xù)剛構(gòu)-拱組合橋位于王家河河段，王家河兩岸城市道路交錯(cuò)，另有王家河礦山專用鐵路順河而過(guò)。主橋采用（124+248+124）m 連續(xù)剛構(gòu)-拱組合形式，全長(zhǎng)497.5 m。主梁采用變截面單箱雙室截面，C60混凝土。兩側(cè)腹板為直腹板，箱梁頂寬14 m，底寬10.6 m。拱肋呈二次拋物線形，矢高49.6 m，矢跨比1/5。全橋設(shè)44 組雙吊桿，順橋向間距9 m，共88根。全橋立面如圖1所示。

圖1 西延高速鐵路連續(xù)剛構(gòu)-拱組合橋立面（單位：cm）

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

本橋?yàn)榇罂缍冗B續(xù)剛構(gòu)-拱組合橋，由于主墩與梁體固結(jié)，在地震作用下邊墩處墩和梁的相對(duì)位移較大，故將液體黏滯阻尼器設(shè)置在兩邊墩與主梁之間，主梁左右兩側(cè)沿橫向各設(shè)置4個(gè)，共8個(gè)。

液體黏滯阻尼器由缸體、活塞和流體組成，缸內(nèi)為硅油或者其他黏滯流體，活塞帶有適量小孔，在缸體內(nèi)部做往返運(yùn)動(dòng)［9］。采用液體黏滯阻尼器對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行減震設(shè)計(jì)時(shí)，因?yàn)橐后w黏滯阻尼器表現(xiàn)出較強(qiáng)的依賴頻率的性質(zhì)，所以一般采用Maxwell 力學(xué)模型來(lái)模擬，如圖2 所示。其中：f為液體黏滯阻尼器單元內(nèi)力；C為阻尼系數(shù)；dd，db分別為黏滯阻尼器、彈簧的變形；kb為彈簧剛度；N1，N2為單元節(jié)點(diǎn)編號(hào)。

圖2 Maxwell力學(xué)模型

在該力學(xué)模型中彈簧單元一般取一個(gè)較大的值，阻尼力F取決于活塞運(yùn)動(dòng)速度V。其計(jì)算公式為

式中：C為阻尼系數(shù)；α為速度指數(shù)。

由式（1）可知，C和α的取值對(duì)結(jié)構(gòu)減震效果有較大的影響。

運(yùn)用MIDAS/Civil有限元分析軟件，建立結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和地震反應(yīng)分析的全橋有限元模型，三維空間有限元模型（圖3）阻尼器采用Maxwell 力學(xué)模型建立，全橋各部件均采用空間梁?jiǎn)卧M，吊桿采用桁架單元模擬。拱軸線為拋物線，拱上節(jié)點(diǎn)位置根據(jù)拱軸線方程計(jì)算得出。鋼筋、混凝土等材料的參數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)確定。

圖3 全橋有限元模型

2.2 地震波選取

由于該橋結(jié)構(gòu)的特殊性，對(duì)橋址區(qū)作了專門的地震安全性評(píng)價(jià)。采用擬合基巖反應(yīng)譜的三角級(jí)數(shù)迭加法合成場(chǎng)地基巖地震動(dòng)時(shí)程，給出了50年超越概率63%，10%和2%三種設(shè)防概率水平的合成場(chǎng)地基巖地震動(dòng)加速度時(shí)程。每種概率水平各給出3條加速度時(shí)程?？紤]到地震作用的隨機(jī)性，根據(jù)GB 50111—2006（2009 版）《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定及地震安全評(píng)價(jià)報(bào)告，選取50年超越概率為2%的3 條罕遇地震作用下的地震波（A波、B波、C波，見圖4），進(jìn)行地震響應(yīng)分析。

圖4 3條罕遇地震作用下的地震波

2.3 模擬結(jié)果與分析

2.3.1 不同工況下的減震效果分析

順橋向分別輸入3 條地震波，時(shí)程分析時(shí)取3 條地震波計(jì)算結(jié)果中的內(nèi)力最大值作為該橋地震響應(yīng)的理論計(jì)算值。中墩11#（西安側(cè)），12#（延安側(cè)）墩底截面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 中墩11#，12#墩底截面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

為確定最優(yōu)液體黏滯阻尼器參數(shù)，C分別取2，3，4，5，6 MN·（s/m）α，α分別取0.3 和0.4，組合為10 種工況，見表2。

表2 各工況C，α的取值

限于篇幅，本文僅給出中墩11#，12#墩底內(nèi)力隨液體黏滯阻尼器參數(shù)（C，α）的變化情況，見表3—表4。未設(shè)置阻尼器時(shí)中墩11#，12#墩底彎矩分別為2856.064，2587.398 MN·m，剪 力 分 別 為73.135，66.255 MN。墩底內(nèi)力均值為設(shè)置液體黏滯阻尼器后墩底內(nèi)力的平均值。

表3 11#墩的墩底內(nèi)力隨阻尼器參數(shù)變化情況

表4 12#墩的墩底內(nèi)力隨阻尼器參數(shù)變化情況

由表3—表4 可知：①設(shè)置液體黏滯阻尼器后，隨著阻尼系數(shù)增大，11#墩的墩底彎矩單調(diào)遞減，墩底剪力先減小后增大，12#墩的墩底彎矩和剪力均先減小后增大，但變化趨勢(shì)不太明顯。②設(shè)置液體黏滯阻尼器前后，11#，12#墩的墩底彎矩分別由2856.064，2587.398 MN·m 減小為2412.346，1913.352 MN·m（平均值），減幅分別為15.5%，26.1%。同理，剪力減幅分別為15.0%，28.6%。說(shuō)明設(shè)置阻尼器后11#，12#墩的墩底彎矩和剪力均明顯減小。③C＞3 MN·（s/m）α，α=0.4 時(shí)11#墩的剪力、12#墩的墩底彎矩和剪力減幅均比α= 0.3 時(shí)大，但C＞4 MN·（s/m）α，α= 0.4 時(shí)，12#墩的墩底彎矩和剪力小幅上升，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的減震效果變?nèi)酢＂芫C合各墩墩底彎矩與剪力的減幅，C=4 MN·（s/m）α，α=0.4 時(shí)該連續(xù)剛構(gòu)-拱組合橋的減震效果最佳。

設(shè)置液體黏滯阻尼器后主梁位移隨阻尼器參數(shù)變化情況見表5。

表5 主梁位移隨阻尼器參數(shù)變化情況

由表5 可知：在順橋向罕遇地震作用下主梁位移隨著阻尼系數(shù)增大而逐漸減小。當(dāng)C=4 MN·（s/m）α，α=0.3 時(shí)，主梁位移由未設(shè)置阻尼器時(shí)的20.9 cm 減至17.6 cm，減幅15.8%。α一定時(shí)，主梁位移隨著C增大而減??；C一定時(shí)，雖然α= 0.3 時(shí)主梁位移比α=0.4時(shí)小，但幅值相對(duì)較小，二者差別不大。

綜合考慮墩底內(nèi)力及主梁位移，C=4 MN·（s/m）α，α=0.4時(shí)減震效果最優(yōu)，故將其作為優(yōu)化后的阻尼器參數(shù)。此時(shí)液體黏滯阻尼器的阻尼力為3200 kN。

2.3.2 采用優(yōu)化參數(shù)后的減震效果

為分析所選液體黏滯阻尼器的減震效果，定義減震率=（未設(shè)置阻尼器時(shí)組合橋的墩底內(nèi)力-設(shè)置阻尼器后組合橋的墩底內(nèi)力）/未設(shè)置阻尼器時(shí)組合橋的墩底內(nèi)力×100%。

設(shè)置液體黏滯阻尼器后順橋向罕遇地震作用下墩底內(nèi)力及減震率見表6。

表6 墩底內(nèi)力及減震率

由表6 可知：設(shè)置阻尼器后11#墩的墩底彎矩和剪力減幅均為15.8%；由于12#墩基礎(chǔ)為明挖基礎(chǔ)，12#墩的墩底彎矩和剪力減幅均在26% ～30%，減震效果較11#墩更明顯。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)設(shè)置液體黏滯阻尼器后西延高速鐵路連續(xù)剛構(gòu)-拱組合橋的減震效果分析以及對(duì)阻尼器參數(shù)的優(yōu)化，得到以下結(jié)論：

1）隨著阻尼系數(shù)增大，11#墩的墩底彎矩單調(diào)遞減，墩底剪力先減小后增大，12#墩的墩底彎矩和剪力均先減小后增大，但變化趨勢(shì)不太明顯。隨著阻尼系數(shù)增大，主梁位移逐漸減小，阻尼器的減震效果逐漸增強(qiáng)。綜合考慮墩底內(nèi)力及主梁位移，C=4 MN·（s/m）α，α=0.4時(shí)減震效果最優(yōu)。此時(shí)阻尼力為3200 kN。

2）采用優(yōu)化參數(shù)后，11#墩的墩底彎矩和剪力減幅均為15.8%，12#墩的墩底彎矩和剪力減幅均在26% ～30%。設(shè)置液體黏滯阻尼器后減震效果明顯。