盧旭陽(yáng)，劉 力

(湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南湘潭411100)

結(jié)構(gòu)消能減震體系是一種新的抗震防災(zāi)技術(shù)，其主要思想是在結(jié)構(gòu)的某些部位設(shè)置消能裝置(如耗能阻尼器)，當(dāng)結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震作用下，結(jié)構(gòu)的能量主要通過(guò)這些耗能阻尼器來(lái)消耗，這種消能減震結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是它并不依賴(lài)主體結(jié)構(gòu)中的塑性鉸來(lái)耗散地震輸入能量，可以保護(hù)主體結(jié)構(gòu)免受損傷.相對(duì)于以往的抗震設(shè)計(jì)，消能減震體系既合理又經(jīng)濟(jì)，黏滯流體阻尼器是耗能減震裝置的一種，它的特點(diǎn)是不會(huì)給結(jié)構(gòu)增加剛度，這樣就不會(huì)增加地震作用，相對(duì)于其他耗能減震裝置來(lái)說(shuō)，滯流體阻尼器的耗能減震更具有優(yōu)越性［1］.

近20年來(lái)，用于減振的結(jié)構(gòu)保護(hù)系統(tǒng)有了很大的發(fā)展.在國(guó)際上迅速發(fā)展并被廣泛接受的結(jié)構(gòu)保護(hù)系統(tǒng)包括液體黏滯阻尼器、金屬摩擦阻尼器和鉛芯橡膠抗震［2］.在橋梁上設(shè)置液體黏滯阻尼器，衰減大橋縱橫兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)已經(jīng)成為設(shè)計(jì)工作者的一個(gè)重要選擇，液體黏滯阻尼器在工程應(yīng)用中得到很快的發(fā)展［3］.本文通過(guò)建立有限元模型并設(shè)置液體粘滯阻尼器，分析安裝粘滯阻尼器前后橋梁的抗震性能，研究粘滯阻尼器對(duì)懸臂梁橋的影響.

1 工程背景

某公路橋?yàn)槿珙A(yù)應(yīng)力混凝土懸臂梁，跨度為32+50+32=114m，其中中跨為掛孔結(jié)構(gòu)，掛孔梁為普通鋼筋混凝土梁，梁長(zhǎng)16m.兩T構(gòu)的主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，橋墩兩側(cè)的懸臂長(zhǎng)度均為18m，梁高是按照1.6次拋物線(xiàn)變化，邊跨是14m等高段，墩梁固結(jié)，全橋總體模型見(jiàn)圖2.橋墩為鋼筋混凝土雙柱橋墩，截面為1.2m*1.2m矩形，墩高度16m.主梁截面如圖1所示.主梁材料采用JTG04(RC)規(guī)范的C50混凝土，橋墩采用JTG04(RC)規(guī)范的C40混凝土.預(yù)應(yīng)力鋼材采用JTG04(S)規(guī)范，在數(shù)據(jù)庫(kù)中選在Strand1860鋼絞線(xiàn).本橋位于抗震設(shè)防烈度為7度的二級(jí)公路上，水平基本地震加速度值為0.15g.按照《中國(guó)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃圖》查得場(chǎng)地特征周期為0.45秒.

圖1 箱梁橫斷面圖(單位:cm)

圖2 全橋總體模型圖

2 地震分析理論和建模要求

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論的發(fā)展大體上可以劃分成為循序漸進(jìn)的四部分:靜力理論、反應(yīng)譜理論、動(dòng)力理論、基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論［4］.

動(dòng)力理論是將地震加速度時(shí)程直接作為輸入，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震時(shí)程反應(yīng)分析.地震作用輸入可以直接選用強(qiáng)震儀記錄的地震加速度時(shí)程，有三個(gè)分量，其中兩個(gè)水平分量和一個(gè)豎向分量［5］.動(dòng)態(tài)時(shí)程分析方法可以十分精確地考慮到結(jié)構(gòu)、樁基相互作用，地震波相位差及不同地震波多分量多點(diǎn)輸入等因素，還可以包括材料和幾何非線(xiàn)性以及各種減振、隔震裝置的作用效果，從而使得橋梁抗震計(jì)算從單一強(qiáng)度保證轉(zhuǎn)向?yàn)楸ＷC強(qiáng)度、變形(延性)的雙重保證.

地震分析所用的模型必須能夠模擬對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)有所貢獻(xiàn)的所有特征的振型，這是因?yàn)閷?duì)于所有結(jié)構(gòu)都必須考慮實(shí)際與隨機(jī)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，所以計(jì)算模型都必須是三維的.三維計(jì)算模型可以只針對(duì)具有較大剛度和延性的結(jié)構(gòu)部分，且略去非結(jié)構(gòu)的部分，但是非結(jié)構(gòu)部分的質(zhì)量分布卻是不能略去的［6］.

結(jié)構(gòu)質(zhì)量必須進(jìn)行十分精確的估算，結(jié)構(gòu)模型中所有的質(zhì)量分布都是依賴(lài)于表示它們的橋梁構(gòu)件單元數(shù)量.在進(jìn)行動(dòng)力分析之前，先運(yùn)行靜力荷載的計(jì)算模型，用來(lái)檢查各種近似的模擬方法［7］.

3 有限元模型

動(dòng)力模型分析和靜力模型分析的不同之處在于不需要精細(xì)模擬，重點(diǎn)是一定要準(zhǔn)確、真實(shí)地反映出結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量以及結(jié)構(gòu)的阻尼和邊界條件.本文的建模過(guò)程由大型有限元軟件MidasCivil完成，采用空間梁?jiǎn)卧M主梁、橋墩，但是并沒(méi)有考慮樁—土結(jié)構(gòu)之間的相互作用，僅將橋墩用固結(jié)邊界條件模擬.

首先定義材料和截面，T構(gòu)上的主梁定義為變截面.墩梁固結(jié)，全橋的邊界條件見(jiàn)圖2所示，掛梁和T構(gòu)主梁直接的連接方式通過(guò)釋放My的自由度模擬.建立橋墩和T構(gòu)主梁的連接時(shí)，需要在墩頂上建立一個(gè)輔助節(jié)點(diǎn)，輔助節(jié)點(diǎn)和主梁采用剛性連接，和墩頂采用彈性連接中的剛性連接.

定義自重靜力荷載工況，施加自重荷載和二期恒載(鋪裝)，體內(nèi)的預(yù)應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性影響忽略不計(jì).將所建結(jié)構(gòu)模型的自重轉(zhuǎn)換為質(zhì)量，并且把二期恒載也轉(zhuǎn)換為質(zhì)量.

進(jìn)行特征值分析，采用Ritz向量法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行振型分析，運(yùn)行分析，查看結(jié)果表格如圖3所示，振型參與質(zhì)量達(dá)到了規(guī)范所規(guī)定的90%，不需要再增加初始向量的數(shù)量.

圖3 振型參與質(zhì)量圖

在橋梁動(dòng)力分析時(shí)，一般是取成橋階段進(jìn)行分析，自重恒荷載已經(jīng)對(duì)結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力產(chǎn)生了影響.所以，在進(jìn)行動(dòng)力分析的時(shí)候，需要考慮自重恒荷載的初始效應(yīng).本次建模采用的是定義一個(gè)時(shí)變靜力荷載來(lái)實(shí)現(xiàn)初始荷載的施加，時(shí)程分析工況設(shè)置中，加載順序一欄:在荷載工況中選擇接續(xù)前次.分析類(lèi)型為非線(xiàn)性;分析方法為振型疊加法;時(shí)程狀態(tài)為瞬態(tài);輸入所有振型的阻尼比0.05.

地震波的選擇，考慮地震的隨機(jī)性，選擇的地震加速度時(shí)程曲線(xiàn)不應(yīng)該少于三組，本次選擇的地震波有:1940，EI Centro Site，270 Deg，加速度峰值 0.35g;1952，Taft Lincoln School，69 Deg，加速度峰值 0.16;1971，San Fernando，159 Deg，加速度峰值0.27g.這里僅對(duì)于第一組實(shí)錄波進(jìn)行描述，使用midas中地震波數(shù)據(jù)生成器分別生成絕對(duì)加速度反應(yīng)譜和偽加速度反應(yīng)譜，并且將加速度反應(yīng)譜的周期取為0.1～0.5秒之間的值，平均為Sa，將速度反應(yīng)譜取周期為0.5～2 秒之間的值，平均為 Sv.求得 Sa 為 7.3m/s2，Sv 為 0.6m/s.則:

實(shí)錄波特征周期0.51，同該橋址場(chǎng)特征周期0.45比較接近，故實(shí)錄波符合要求.這里僅考慮E1地震下的作用，根據(jù)下式計(jì)算設(shè)計(jì)加速度峰值:

上面選擇的程序自帶的實(shí)錄地震波“1940，EI Centro Site，270 Deg”原始計(jì)算度峰值為0.35，PGA調(diào)整系數(shù)為:

執(zhí)行時(shí)程分析數(shù)據(jù);時(shí)程荷載函數(shù);點(diǎn)擊地震波;選擇1940，EI Centro Site，270 Deg;放大系數(shù)改為 0.18;地震波就設(shè)置好了.定義地面加速度，這里僅僅考慮順橋向的地震作用.

最后是設(shè)置液體黏滯阻尼器，選擇內(nèi)力型，非線(xiàn)性參數(shù)如圖4所示，設(shè)置的位置位于橋臺(tái)和端梁的伸縮縫處，通過(guò)阻尼器耗散地震能量，使得橋梁地震力響應(yīng)效果減小.

圖4 阻尼器參數(shù)設(shè)置圖

圖4中，Cd——粘滯性阻尼器的阻尼系數(shù);

kb——粘滯阻尼器的的連接件剛度;

s——速度指數(shù)，描述了阻尼單元的非線(xiàn)性特性;

d——整個(gè)單元在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的變形;

dd——粘滯阻尼器的變形;

db——連接件的變形;

v0——單元變形時(shí)對(duì)應(yīng)的速度;

特征值分析選項(xiàng)勾選“考慮一般連接的荷載向量”，設(shè)定好以上參數(shù)就可以運(yùn)行分析了.

4 計(jì)算結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證粘滯阻尼器在減振抗震方面的優(yōu)勢(shì)，對(duì)無(wú)阻尼器和加阻尼器兩種結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果從自振周期、順橋向節(jié)點(diǎn)位移、墩頂剪力、阻尼器滯回曲線(xiàn)這些方面進(jìn)行對(duì)比分析.

4.1 查看自振周期

從表1可以看出，安裝了粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)與未安裝粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)的自振周期相差不大，僅僅是增加了一點(diǎn)點(diǎn)，具體原因是粘滯阻尼器的設(shè)置給原結(jié)構(gòu)增加了一定的剛度，這就使得結(jié)構(gòu)的整體剛度增大了一些.

表1 自振周期對(duì)比表

圖5 順橋向節(jié)點(diǎn)位移時(shí)程曲線(xiàn)圖

4.2 順橋向節(jié)點(diǎn)位移

由圖5可知，在順橋向方向設(shè)置2個(gè)粘滯阻尼器后節(jié)點(diǎn)1的X向位移明顯減小，位移最大值減小了65%，雖然改變了最大值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)，但從整體上看，粘滯阻尼器的減振效果還是很理想的.

4.3 橋墩墩底彎矩

圖6 橋墩墩底彎矩時(shí)程曲線(xiàn)圖

如圖6所示，在設(shè)置阻尼器之后，橋墩的彎矩較未設(shè)置阻尼器時(shí)減小了60%左右，橋墩的內(nèi)力情況明顯改善，使得地震力響應(yīng)得到了很好的控制，說(shuō)明粘滯阻尼器對(duì)墩彎矩的減小是可行的.

4.4 墩頂剪力

可以從圖7看出安裝粘滯阻尼器之后，橋墩頂部的剪力明顯變小，橋梁的地震災(zāi)害主要產(chǎn)生于下部結(jié)構(gòu)，即使上部結(jié)構(gòu)破壞，也往往是由于下部結(jié)構(gòu)的破壞或大變形引起的，所以粘滯阻尼器使橋墩剪力減小，耗散了地震傳給結(jié)構(gòu)的能量，分擔(dān)了橋墩的震動(dòng).

圖7 墩頂剪力時(shí)程曲線(xiàn)圖

5 結(jié)論

本文以某公路橋三跨預(yù)應(yīng)力混凝土懸臂梁為工程背景，采用Maxwell模型模擬粘滯性阻尼器，通過(guò)非線(xiàn)性時(shí)程分析對(duì)全橋進(jìn)行地震響應(yīng)分析，對(duì)設(shè)置粘滯性阻尼器前后橋梁抗震性能的變化進(jìn)行對(duì)比，主要得出了以下結(jié)論:

(1)對(duì)懸臂梁橋進(jìn)行減震隔震設(shè)計(jì)時(shí)可以采用粘滯阻尼器，在橋臺(tái)和主梁之間安裝粘滯阻尼器是一個(gè)很好的解決方法.

(2)設(shè)置阻尼器后，全橋的順橋向的地震響應(yīng)得到了很好的控制，可以對(duì)梁端伸縮縫起到很好的保護(hù)作用，確保了地震作用下結(jié)構(gòu)的安全性能.

(3)通過(guò)設(shè)置阻尼器，可以控制橋墩和主梁的相對(duì)位移，避免結(jié)構(gòu)下部結(jié)構(gòu)的大變形引起上部結(jié)構(gòu)的破壞.

［1］陳永祁.橋梁工程液體黏滯阻尼器設(shè)計(jì)與施工［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2012.

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［4］范立礎(chǔ).橋梁抗震［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1997.

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