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        大跨度提籃拱橋阻尼器選型研究

        2014-09-27 07:22:48米孝生蔣相坤
        城市道橋與防洪 2014年8期
        關(guān)鍵詞:三橋阻尼力梁端

        米孝生,蔣相坤

        (1.廣東省建筑設(shè)計研究院,廣東廣州 510100;2.中交南沙投資發(fā)展有限公司,廣東廣州 510010)

        0 引言

        近年來國內(nèi)外學者提出在橋梁結(jié)構(gòu)中設(shè)置阻尼器來改善結(jié)構(gòu)的抗震性能,其中,應用較為成熟且適用于大跨度橋梁的主要是流體阻尼器,通過對結(jié)構(gòu)提供額外的耗散地震輸入能量的能力來減小地震反應[1]。本文基于流體粘滯阻尼器的力學特性,以廣州南沙鳳凰三橋為工程背景,從地震響應控制的原理出發(fā),優(yōu)化阻尼器的參數(shù)[2],以期得到該橋減震控制的最優(yōu)方案。

        1 工程概況及計算模型

        廣州市南沙區(qū)鳳凰三橋跨越下橫瀝水道,主橋全長510 m,為40 m+61 m+308 m+61 m+40 m中承式無推力鋼箱系桿拱橋,橋面為正交異性板鋼梁。主橋由樁基、承臺及墩身,主墩三角剛架、拱肋、箱梁、索結(jié)構(gòu)等組成。主拱為提籃式鋼箱拱,跨度308 m(含三角鋼架前斜腿,鋼拱段跨度249.5 m),矢高68.44 m(含三角鋼架前斜腿),主拱矢跨比為1/4.5,拱軸線采用m=1.25的懸鏈線,主拱肋按1/5角度內(nèi)傾,拱頂處拱肋間距為19.1 m。拱肋箱型截面尺寸由鋼箱拱假想起點3.0 m×6.0 m均勻漸變至拱頂點的3.0 m×3.8 m,頂?shù)装搴裨?4~32 mm之間變化,腹板厚在32~24 mm之間變化。兩片拱肋通過9道鋼箱橫撐連為一體。鋼混結(jié)合段分為鋼結(jié)構(gòu)剛度過渡段及鋼包混凝土段,兩段以60 mm厚承壓鋼板為分界。

        有限元模型中,對于墩、梁間的連接,除過渡墩與主梁固結(jié)、輔助墩與主梁支座連接外,其他均是縱橋向相對自由,橫橋向和豎橋向設(shè)支座彈簧單元。在中跨與邊跨主梁間設(shè)阻尼器單元,每側(cè)梁端各4個,全橋設(shè)8個。引橋在主橋兩端均分別設(shè)有單獨的橋墩支撐,建模時忽略其對主橋動力特性的影響,主橋動力有限元模型如圖1所示。

        圖1 橋梁動力模型

        2 結(jié)構(gòu)動力特性及地震輸入

        根據(jù)該橋橋區(qū)的地震環(huán)境及《鳳凰三橋工程場地地震安全性評估報告》給出的相應概率水平下的地震動參數(shù),考慮到該橋是公路主要干線上的特大橋梁,確定鳳凰三橋的抗震設(shè)防目標為:E1地震作用下不發(fā)生損傷,E2地震作用下可產(chǎn)生有限損傷,但地震后應能立即維持正常交通通行,簡單概括為“中震不壞”,“大震有限損傷”。結(jié)合鳳凰三橋的結(jié)構(gòu)特點和各構(gòu)件的重要性,設(shè)防目標具體體現(xiàn)為:E1地震作用下,要求主橋主拱、主墩、邊墩、三角剛架、樁基完好無損;E2地震作用下,要求主橋主拱完好無損,主墩、邊墩、三角剛架、樁基有限損傷。最終確定鳳凰三橋的設(shè)防標準如下:E1地震對應的地震動重現(xiàn)期為475 a,相應的概率水準為50 a超越概率10%;E2地震對應的地震動重現(xiàn)期為2 000 a,相應的概率水準為50 a超越概率2.5%。

        采用《安評報告》提供的7組50 a超越概率0.25%水平下的人工地震波來進行地震反應分析,由這7組地震波作用下結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位響應的平均值來確定粘滯阻尼器的合理參數(shù)。地震波沿水平向和豎向輸入,豎向加速度取水平向加速度的0.65,圖2為其中1條水平向地震波加速度時程。

        圖2 水平向地震加速度時程

        根據(jù)上述動力計算模型,表1給出了結(jié)構(gòu)在不設(shè)阻尼器下的典型自振特性。從表1可以看出,結(jié)構(gòu)的第1階振型為主梁的縱飄,過大的縱向位移可能導致鋼梁與橫梁相互碰撞,造成地震中結(jié)構(gòu)的損壞。針對結(jié)構(gòu)動力響應的特點,通過比選,確定了沿縱向設(shè)置粘滯阻尼器的解決方案。

        表1 結(jié)構(gòu)動力特性

        3 地震力時程分析

        3.1 粘滯阻尼器參數(shù)敏感性分析

        阻尼器采用非線性阻尼器,阻尼力與相對速度關(guān)系可表示為:F=CVα,其中F為阻尼力,C是阻尼系數(shù),V是速度,α是指數(shù)。粘滯阻尼器阻尼系數(shù)、阻尼指數(shù)選取的不同,阻尼器對結(jié)構(gòu)的地震響應影響也不一樣[3,4]。因此,需對結(jié)構(gòu)引入阻尼器的情況進行結(jié)構(gòu)響應分析,主要考慮對阻尼系數(shù)C與阻尼指數(shù)α進行參數(shù)敏感性分析,分析這些參數(shù)變化對結(jié)構(gòu)響應的影響,為粘滯阻尼器設(shè)計參數(shù)的確定提供依據(jù)。阻尼指數(shù)α的取值范圍為0.1~0.9,阻尼常數(shù)的取值范圍為1 000~9 000。

        通過非線性時程分析,對設(shè)置不同參數(shù)的粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)進行了主跨結(jié)構(gòu)梁端位移、粘滯阻尼器的阻尼力及粘滯阻尼器變形的分析比較。圖3~圖5為不同粘滯阻尼器參數(shù)對結(jié)構(gòu)梁端位移、粘滯阻尼器阻尼力及變形的影響。

        圖3 梁端位移與阻尼參數(shù)關(guān)系

        圖4 粘滯阻尼器變形與阻尼參數(shù)關(guān)系

        圖5 粘滯阻尼器阻尼力與阻尼參數(shù)關(guān)系

        從以上圖中可以看出,梁端位移及粘滯阻尼器變形隨著阻尼系數(shù)C的增大而減小,隨著阻尼指數(shù)α的增大而增大;粘滯阻尼器的阻尼力隨著阻尼系數(shù)C的增大而增大,隨著阻尼指數(shù)α的增大而減小。經(jīng)分析對比最終確定,該橋的粘滯阻尼器阻尼系數(shù)C取5 000~7 000,阻尼指數(shù)取0.5~0.8。鳳凰三橋最終阻尼器選型,取阻尼系數(shù)6 100,阻尼指數(shù)為0.6。

        3.2 E2地震作用下橋梁動力時程分析

        7條地震波作用下拱橋相關(guān)參數(shù)的最大響應平均值見表2。

        表2 7條地震波作用下拱橋相關(guān)參數(shù)的最大響應平均值

        左、右拱肋部分粘滯阻尼器滯回曲線如圖6、圖7。

        圖6 左拱肋粘滯阻尼器滯回曲線

        圖7 右拱肋粘滯阻尼器滯回曲線

        通過地震計算分析以及粘滯阻尼器參數(shù)優(yōu)化,控制粘滯阻尼器的阻尼力為3 400 kN,最大變形量為15 cm。結(jié)合橋梁的實際情況,最終確定較合適的粘滯阻尼器型號參數(shù)見表3(拱橋每側(cè)安裝兩個相同型號的粘滯阻尼器)[5]。

        表3 粘滯阻尼器合理參數(shù)

        考慮到溫度位移±39 mm,風振位移及一定安全余量,最終選取阻尼器型號的參數(shù)見表4。

        表4 粘滯阻尼器最終選型參數(shù)

        梁端支座采用擺式摩擦支座作為支撐體系,其變形能力根據(jù)需要設(shè)計,具備良好的自恢復能力。

        4 結(jié)語

        本文以大跨度提籃拱橋縱向設(shè)置粘滯阻尼器為例,進行了非線性時程計算分析,通過分析比較,得出以下結(jié)論:

        (1)在主梁與前橫梁間設(shè)置縱向粘滯阻尼器可以有效地減小大跨度橋梁關(guān)鍵部位的位移,同時適當改善了結(jié)構(gòu)的受力,避免或減輕了前橫梁與主橋主梁碰撞可能引起的結(jié)構(gòu)損壞,減震效果取決于阻尼系數(shù)C和指數(shù)ξ的取值。

        (2)對大跨度提籃拱橋粘滯阻尼器阻尼參數(shù)選取的原則是首先控制梁端位移,其次是減少結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

        [1]王浩,李愛群,郭彤.超大跨懸索橋地震響應的綜合最優(yōu)控制研究[J].湖南大學學報:自然科學版,2006,33(3):6-10.

        [2]王志強,胡世德,范立礎(chǔ).東海大橋粘滯阻尼器參數(shù)分析[J].中國公路學報,2005,18(3):37-42.

        [3]徐秀麗,劉偉慶,李龍安,等.斜拉橋結(jié)構(gòu)減震設(shè)計優(yōu)化研究[J].地震工程與工程振動,2006,26(2):119-124.

        [4]吳斌暄,王磊,王岐峰.使用非線性粘滯阻尼器的橋梁在地震反應中的響應分析[J].公路交通科技,2007,24(10):76-80.

        [5]葉愛君,胡世德,范立礎(chǔ).超大跨度斜拉橋的地震位移控制[J].土木工程學報,2004,37(12):38-43.

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