陽新高速公路橋梁粘滯阻尼器減震設(shè)計效果分析

郭建光 劉團結(jié)

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(zāi)害能夠造成巨大經(jīng)濟損失。陽新高速公路橋梁為大跨連續(xù)橋梁，處于不良地質(zhì)區(qū)域，地震帶活躍，發(fā)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(shè)計處理。運用粘滯斜向阻尼器+雙曲球支座，能夠?qū)M向地震、縱向地震進行有效控制。利用數(shù)值模擬分析阻尼器參數(shù)，且討論減震效果，從而確定配置的最優(yōu)方案。以相關(guān)參數(shù)為評價指標(biāo)，對阻尼器加設(shè)前后易損處地震響應(yīng)進行比對，明確高烈度地震荷載下阻尼器的減震效果。結(jié)果顯示，液體粘滯阻尼器可協(xié)同各墩受力，增強結(jié)構(gòu)整體性，還能有效彌補減震支座無法有效控制的上部結(jié)構(gòu)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(guān)鍵詞：公路橋梁;連續(xù)梁;粘滯阻尼器;參數(shù)敏感性;減震設(shè)計效果

中圖分類號：U442.55 文獻標(biāo)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(qū)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(zhì)黏土為主，中下部主要為粉細砂、粉土、粉質(zhì)黏土層，工程性質(zhì)一般。該河段地質(zhì)復(fù)雜，沖刷大，抗震設(shè)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(nèi)存在軟弱土，呈不連續(xù)分布，且分布無規(guī)律，場地液化土分布較發(fā)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(lián)長1 120 m，在同類橋梁中不多見，且位于高烈度地區(qū)，抗震設(shè)防難度大。當(dāng)前主要減隔震設(shè)計為，一是延長結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的抗震功能。但是，阻尼器作為一種有效的結(jié)構(gòu)保護系統(tǒng)，正好彌補減隔震支座不能很好控制上部結(jié)構(gòu)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(nèi)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?qū)?×16.56 m，工程地質(zhì)復(fù)雜，抗震設(shè)防烈度高，沖刷大，屬典型游蕩性河段，主河槽擺動大，線路區(qū)域為黃河沖積平原，經(jīng)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(zhì)黏土和稍密狀粉土，其承載力低，工程性質(zhì)差，為軟弱土。軟弱土分布較廣，厚度變化大，路區(qū)內(nèi)多存在軟弱土，一般為軟塑～流塑狀粉質(zhì)黏土和稍密狀粉土，其物理力學(xué)指標(biāo)受地下水和地表水影響，路區(qū)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(yīng)做好不良地質(zhì)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(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

以陽新高速公路連續(xù)梁結(jié)構(gòu)為研究對象，通過在墩頂處設(shè)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(jié)構(gòu)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(yīng)用效果。

2.2 震動輸入

此橋橋址場地為II類，屬8度區(qū)，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(shù)，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(yīng)，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(jié)構(gòu)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(shù)值見表1。

由于此橋?qū)儆诟吡叶鹊卣饚?，處于濕陷性黃土區(qū)，地質(zhì)狀況比較復(fù)雜，按照《路橋規(guī)范》要求，安評報告中的中波峰值設(shè)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(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

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

3 粘滯阻尼器參數(shù)值的敏感性

由于此連續(xù)梁2# ～4#墩的結(jié)構(gòu)為粗柱，結(jié)構(gòu)非常強，1#與5#墩的結(jié)構(gòu)為細柱，結(jié)構(gòu)相對弱。加之此橋?qū)俑咚俟窐颍卣鹆叶葟姶?，橋梁抗震設(shè)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(shè)置阻尼器16個，計算分析如下。粘滯阻尼力和速度間的關(guān)系公式表示為：，其中，阻尼力（kN）表示為F，阻尼系數(shù)（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(shù)以表示，取值范圍為0.19～2.0間，此文獻對速度指數(shù)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(guān)鍵點主要表現(xiàn)在以下兩方面。一是關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，二是地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)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(guān)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(nèi)力展開其抗震作用研究，并以此確認阻尼器參數(shù)的影響，與阻尼器阻力大小相結(jié)合，最終合理確定此橋梁阻尼器的參數(shù)。

通過分析阻尼器參數(shù)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(jīng)濟效益等進行綜合考慮。其中，增加阻尼系數(shù)（C），阻尼力水平就會顯著提升，增大阻尼力，不但會導(dǎo)致阻尼器體積質(zhì)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(shù)，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(shù)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(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)最大承載力，致使結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(jié)構(gòu)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(fù)作用導(dǎo)致橋梁活動墩的墩梁發(fā)生滑移，而這類滑移很難自動復(fù)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(jié)構(gòu)安全和正常使用。通常情況下，橋梁設(shè)計主要借助橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)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?shù)乃绞芰?、墩底的彎矩和剪力，且以此為量化指?biāo)，分析比對架設(shè)阻尼器前、后，高強地震荷載下的橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)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(shè)計計算結(jié)果，且考慮剪斷固定支座，結(jié)構(gòu)易損處的地震響應(yīng)狀況。

由分析結(jié)果可知，設(shè)置阻尼器后，3#墩的墩頂水平受力增加，現(xiàn)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?shù)募袅υ黾?，若沒有阻尼器，因支座被破壞，橋梁間的縱向就無相應(yīng)的約束，墩頂?shù)乃搅Ψ浅Ｐ?。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(wěn)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(fā)現(xiàn)，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(jié)論

因高強地震區(qū)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(jié)構(gòu)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(shè)計橋梁減震時，需要首先確定相關(guān)的良好指標(biāo)，如橋墩內(nèi)力、梁段位移等，通過分析阻尼器參數(shù)的敏感性優(yōu)化和確定最優(yōu)的設(shè)置方案。設(shè)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(guī)避或減少落梁的發(fā)生幾率。

參考文獻：

[1]JTGD60-2015，公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

[2]陳進昌，金令，郭煜.鄭濟高鐵黃河特大橋主橋設(shè)計[J].橋梁建設(shè)，2020（3）：86-91.

[3]賀耀北，邵旭東，龔斌，等.官新高速公路馬路口資水大橋主梁方案比選[J].橋梁建設(shè)，2019（6）：96+10.

[4]趙人達，賈毅，占玉林，等.強震區(qū)多跨長聯(lián)連續(xù)梁橋減隔震設(shè)計[J].浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2018（5）：886-895.

[5]JTC/TB02-01-2008，公路橋梁抗震設(shè)計細則[S].中華人民共和國交通運輸部，2008.

[6]鄭成成，陳永祁，鄭久建，等.高烈度區(qū)大跨度橋梁粘滯阻尼器減震研究[J].世界地震工程，2021（4）：115-122.