劉紅緒

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安　710043)

?

液體黏滯阻尼器在烏錫線黃河特大橋中的應(yīng)用研究

劉紅緒

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安710043)

摘要：烏錫鐵路黃河特大橋主橋的橋式方案為長(zhǎng)聯(lián)大跨混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，梁部質(zhì)量巨大，主橋的地震設(shè)防為本項(xiàng)目技術(shù)關(guān)鍵。利用Midas/civil建立空間有限元模型，選用適合橋址處場(chǎng)地等級(jí)及地震特性的3條地震波，采用非線性時(shí)程分析方法檢算在活動(dòng)墩與主梁之間設(shè)置液體黏滯阻尼器裝置的抗震效果。結(jié)論為：在活動(dòng)墩與主梁之間設(shè)置液體黏滯阻尼器裝置，有效協(xié)調(diào)各活動(dòng)墩在動(dòng)力作用下的參與工作，降低固定主墩地震力，有效提高主橋的地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：鐵路橋梁；長(zhǎng)聯(lián)大跨連續(xù)梁；液體黏滯阻尼器；地震波；非線性分析

1工程概況

烏錫鐵路位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市和巴彥淖爾市境內(nèi)，主要以開(kāi)發(fā)鄂爾多斯地區(qū)煤炭資源、集煤外運(yùn)為目的，是"十一五"鐵路網(wǎng)規(guī)劃連接我國(guó)內(nèi)蒙中東部的新通路，正線全長(zhǎng)約90.9 km。

烏錫線黃河特大橋位于黃河三湖河口至昭君墳段，河道屬游蕩性河道向彎曲性河道的過(guò)渡段，河寬約3 500 m，主槽平均寬約700 m，河床比降0.12‰～0.15‰，百年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量6 460 m3/s，Ⅳ級(jí)通航，設(shè)計(jì)通航流量4 520 m3/s，三湖河口～昭君墳段河床年平均淤積厚度約0.042 m。黃河特大橋自北向南穿越烏拉山前傾平原區(qū)和鄂爾多斯臺(tái)地，是新建烏錫鐵路的控制性工程，全長(zhǎng)9 303.68 m，總投資5.7億元，232個(gè)墩(臺(tái))，是國(guó)內(nèi)目前跨越黃河的最長(zhǎng)單線鐵路橋。其主橋采用(64+7×108+64) m+(64+5×108+64) m兩聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，長(zhǎng)1 555.6 m，橋高約24 m，位于直線上。

2主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)鐵路等級(jí)：國(guó)鐵Ⅰ級(jí)；

(2)正線數(shù)目：?jiǎn)尉€；

(3)設(shè)計(jì)荷載：中-活載；

(4)主梁結(jié)構(gòu)按100年使用年限進(jìn)行設(shè)計(jì)；

(5)地震動(dòng)峰值加速度：0.15g(相當(dāng)于地震基本烈度7度)，動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40 s；

(6)土壤最大凍結(jié)深度：1.11 m。

3結(jié)構(gòu)分析

3.1　結(jié)構(gòu)尺寸

烏錫鐵路黃河特大橋主橋(64+7×108+64) m+(64+5×108+64) m兩聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，采用單箱單室箱梁變高截面；支點(diǎn)處梁高8.4 m，跨中合龍段及邊跨直線段梁高4.8 m。箱梁底曲線線型按y=0.003 148 88X1.8拋物線變化。箱梁頂寬7.0 m，底寬5.8 m；腹板厚度由中支點(diǎn)處120 cm變至跨中及邊跨直線段40 cm；底板由箱梁中支點(diǎn)處厚130 cm變至跨中及邊跨直線段厚40 cm；頂板厚40 cm，其中箱梁中支點(diǎn)處加厚至120 cm。梁體設(shè)計(jì)為縱、豎雙向預(yù)應(yīng)力體系，縱向按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)；縱向預(yù)應(yīng)力筋采用鋼絞線，豎向采用預(yù)應(yīng)力混凝土用PSB830螺紋鋼筋。懸臂灌注法施工，單側(cè)13節(jié)懸臂灌注梁段，邊跨現(xiàn)澆段9.75 m。箱梁截面參見(jiàn)圖1。

圖1　(64+7×108+64) m連續(xù)梁截面(單位：cm)

主橋橋墩采用圓端形實(shí)體墩。固定主墩墩頸尺寸4.6 m×6.7 m(縱×橫)，墩身坡率20∶1，基礎(chǔ)采用16根φ180 cm鉆孔灌注樁；活動(dòng)主墩墩頸尺寸4.0 m×6.5 m(縱×橫)，墩身坡率40∶1，基礎(chǔ)采用16根φ150 cm鉆孔灌注樁。

3.2　結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征分析

烏錫鐵路黃河特大橋主橋系長(zhǎng)聯(lián)大跨混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，梁部質(zhì)量巨大，最大聯(lián)長(zhǎng)分別達(dá)885.5 m，梁體重約326 900 kN，橋高約24 m，橋墩高度矮，剛度大，又位于7度地震區(qū)，為確保結(jié)構(gòu)安全合理，主橋連續(xù)梁橋縱向按罕遇地震分析檢算。故主橋的地震設(shè)防為本項(xiàng)目技術(shù)關(guān)鍵。

以(64+7×108+64) m連續(xù)梁為例，如按常規(guī)方法設(shè)計(jì)，全聯(lián)縱向設(shè)置單固定主墩，主橋梁部水平地震力通過(guò)固定支座傳遞于固定主墩。采用反應(yīng)譜法分析，按多遇地震(重要性系數(shù)1.5)[1]的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，墩身內(nèi)力及樁頂外力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　多遇地震反應(yīng)譜法墩底內(nèi)力及樁頂外力

經(jīng)過(guò)檢算，固定主墩墩底截面需要布設(shè)φ28 mm的HRB335鋼筋約350根，樁基礎(chǔ)出現(xiàn)大偏心拉力樁，樁身截面最大拉力達(dá)433 kN，配筋率μ=1.92%[2]，鋼筋面積Ag=489 cm2。在多遇地震作用下，固定主墩縱向力偏大、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難，且地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)偏低，不能滿足抗震設(shè)計(jì)要求，但活動(dòng)主墩縱向力偏小、僅需構(gòu)造配筋，從全橋設(shè)計(jì)綜合考慮，結(jié)構(gòu)受力不均衡、材料力學(xué)性能發(fā)揮不充分，故單個(gè)固定主墩承受梁部巨大的縱向水平地震力不盡合理。

為解決水平地震力設(shè)計(jì)難題，活動(dòng)墩頂設(shè)置黏滯阻尼裝置以共同分擔(dān)縱向水平地震力。黏滯阻尼器[3-4](圖2)是一種用于安裝在發(fā)生相對(duì)位移的橋梁構(gòu)件之間，在緩慢施加的靜態(tài)荷載(如溫度、汽車荷載等)作用下可自由變形，在快速作用的動(dòng)態(tài)荷載(如汽車振動(dòng)、地震、脈動(dòng)風(fēng)等)作用下產(chǎn)生阻尼力并耗散能量的振動(dòng)控制裝置。阻尼力F與速度的函數(shù)關(guān)系F=CVα，其中C為阻尼系數(shù)，α為速度指數(shù)[5]。地震時(shí)梁部的縱向水平地震力通過(guò)液體黏滯阻尼器傳力于活動(dòng)主墩，使活動(dòng)主墩分擔(dān)部分地震力，起到分擔(dān)全梁地震力、協(xié)同抵御地震的作用。

(64+7×108+64) m連續(xù)梁結(jié)構(gòu)中6號(hào)墩為固定支座，其余均為順橋向滑動(dòng)支座。阻尼器的設(shè)置也是圍繞固定墩依次向外展開(kāi)，除1號(hào)、10號(hào)墩外，每個(gè)活動(dòng)墩各設(shè)置2個(gè)連接單元，共設(shè)置14個(gè)連接單元，如圖3、圖4所示。

圖2　阻尼器布置

圖3　阻尼器的布置位置

圖4　空間有限元模型

橋梁的計(jì)算模型采用了有限元專業(yè)分析軟件Civil Midas進(jìn)行，主橋連續(xù)梁橋縱向按罕遇地震分析檢算。采用邊界單元模擬了黏滯阻尼器的特性，并采用多條地震波對(duì)模型進(jìn)行了動(dòng)力時(shí)程分析[6-7]。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的特征值分析，得到結(jié)構(gòu)基階自振周期為1.903 s，一階振型為主梁縱飄，表2是結(jié)構(gòu)前十階振型信息統(tǒng)計(jì)情況。

表2　結(jié)構(gòu)周期和振型

4地震作用下的結(jié)構(gòu)控制效果

活動(dòng)主墩墩頂安裝液體黏滯阻尼器后，因在計(jì)算模型中引入了非線形連接，反應(yīng)譜法分析不再適用計(jì)算模型。采用在線彈性結(jié)構(gòu)狀態(tài)下考慮非線性阻尼特性的振型疊加法(FNA)[8-9]具有較為快捷、準(zhǔn)確的特性，在分析附加液體黏滯阻尼的減振結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多。

4.1　地震記錄選取[10]

經(jīng)過(guò)篩選最終選用適合橋址處場(chǎng)地等級(jí)及地震特性的3條地震波作為計(jì)算輸入，采用動(dòng)力時(shí)程分析計(jì)算。地震波參數(shù)如表3所示，圖5給出了這3條地震波的擬加速度反應(yīng)譜曲線以及設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的對(duì)比。

表3　地震動(dòng)參數(shù)

圖5　加載地震波與反應(yīng)譜比較

4.2　結(jié)構(gòu)阻尼的選取

阻尼力F與速度的函數(shù)關(guān)系F=CVα，其中C為阻尼系數(shù)，α為速度指數(shù)。阻尼力和最大沖程是阻尼器的主要指標(biāo)，而阻尼系數(shù)和速度指數(shù)是阻尼器控制作用的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。C取值范圍暫定為1 000～10 000 kN/(m/s)，α取值范圍0.2～1.0，經(jīng)過(guò)計(jì)算比較后確定。非線性彈簧連接剛度107 kN/m，每個(gè)活動(dòng)墩各設(shè)置2個(gè)連接單元，共設(shè)置10個(gè)連接單元。

在計(jì)算分析過(guò)程中，選取以下結(jié)構(gòu)響應(yīng)作為減振效果的評(píng)價(jià)依據(jù)，這里主要評(píng)估固定墩底部的受力情況(彎矩、水平剪力)，主梁梁端的位移(節(jié)點(diǎn)1號(hào))情況，此外，還包括由于阻尼器附加在活動(dòng)支座對(duì)橋墩受力的影響。

4.3　阻尼參數(shù)的確定

設(shè)置黏滯阻尼器可對(duì)橋梁主體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)起到抑制作用，從多數(shù)安置阻尼器的橋梁結(jié)構(gòu)的位移控制效果來(lái)看，減振幅度一般可達(dá)30%甚至更高。而實(shí)現(xiàn)最佳控制效果的條件是如何給出最優(yōu)的阻尼器技術(shù)參數(shù)。

近幾年在不斷的工程應(yīng)用中，國(guó)內(nèi)學(xué)者逐漸總結(jié)出一套比較實(shí)用的附加阻尼器的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算辦法：即通過(guò)設(shè)置多種阻尼器參數(shù)分別觀察控制效果——分別采用不同的速度指數(shù)α和阻尼常數(shù)C，通過(guò)阻尼器參數(shù)的變化趨勢(shì)來(lái)掌握橋體主要控制點(diǎn)的減振效果，并最終確定阻尼器的技術(shù)參數(shù)。這種方法需要用大量的圖表將時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果匯總，并最終達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、阻尼器參數(shù)設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)效益綜合分析及減振預(yù)期控制目標(biāo)的綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果[11，12]。

在分析中采用的阻尼系數(shù)取C=1 000～20 000 kN/(m/s)，速度指數(shù)α=0.2～1.0進(jìn)行試算，在計(jì)算分析過(guò)程中，選取以下結(jié)構(gòu)響應(yīng)作為減振效果的評(píng)價(jià)依據(jù)，這里主要評(píng)估固定墩底部的受力情況，也就是為使活動(dòng)墩也能盡可能多地分擔(dān)部分地震力，地震時(shí)梁部的縱向水平地震力通過(guò)阻尼器傳力于各墩，協(xié)同抵御地震作用。采用時(shí)程分析法按罕遇地震進(jìn)行分析。對(duì)于選取的不同地震波，對(duì)阻尼系數(shù)C值、速度指數(shù)α值分別進(jìn)行計(jì)算比較。

以Elcentro波為例，圖6、圖7分別為固定墩、2號(hào)活動(dòng)墩墩底彎矩減震前后比較，圖中橫坐標(biāo)是速度指數(shù)，縱坐標(biāo)是墩底彎矩。在強(qiáng)震作用下，未設(shè)置阻尼器時(shí)，固定墩墩底彎矩達(dá)到717 600 kN·m，2號(hào)活動(dòng)墩底部彎矩為23 960 kN·m；設(shè)置阻尼器，當(dāng)參數(shù)在C=2 500 kN/(m/s)、速度指數(shù)0.4情況下，固定墩墩底彎矩為315 800 kN·m，降低了50%，2號(hào)活動(dòng)墩墩底彎矩為82 270 kN·m，增加了接近3.5倍。

從圖7知固定墩減震效果較好的是當(dāng)阻尼系數(shù)在2 000～4 000 kN/(m/s)，在阻尼系數(shù)取值過(guò)大之后，控制效果顯著降低，如C=10 000、15 000、20 000 kN/(m/s)；隨速度指數(shù)的增加，固定墩墩底彎矩變化的趨勢(shì)是先減少，后增加；達(dá)到最優(yōu)控制效果的速度指數(shù)在0.3～0.5之間。

圖6　固定墩墩底彎矩減震前后比較

圖7　2號(hào)活動(dòng)墩墩底彎矩減震前后比較

通過(guò)對(duì)3條地震波的計(jì)算取均值，理論上最終確定阻尼器參數(shù)詳見(jiàn)表4，最大沖程±450 mm，活動(dòng)主墩頂縱向?qū)ΨQ設(shè)置3組共6個(gè)2 000 kN級(jí)液體黏滯阻尼器，在邊墩頂縱向?qū)ΨQ設(shè)置2組共4個(gè)2 000 kN級(jí)液體黏滯阻尼器。

墩底內(nèi)力及樁頂外力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5　罕遇地震時(shí)程分析墩底內(nèi)力及樁頂外力

5結(jié)論

由表1計(jì)算結(jié)果推算，按全聯(lián)梁設(shè)單固定主墩計(jì)算模型反應(yīng)譜法分析，反應(yīng)譜法罕遇地震下固定主墩墩底截面內(nèi)力如下：N=58 231 kN，M=961 446 kN·m，P=66 718 kN，縱向彎矩M、縱向水平力P明顯大于引入液體黏滯阻尼器后時(shí)程分析法罕遇地震下(表5)固定主墩墩底截面內(nèi)力；反應(yīng)譜法罕遇地震下活動(dòng)主墩墩底截面內(nèi)力如下：N=55 956 kN，M=41 024 kN·m，P=5 103 kN，縱向彎矩M、縱向水平力P明顯小于引入液體黏滯阻尼器后時(shí)程分析法罕遇地震下(表1)活動(dòng)主墩墩底截面內(nèi)力；說(shuō)明該橋引入液體黏滯阻尼器不僅降低了固定主墩地震力，而且通過(guò)液體黏滯阻尼器傳力于活動(dòng)主墩起到分擔(dān)全梁地震力、協(xié)同抵御地震的作用，充分發(fā)揮了主橋下部工程的材料力學(xué)性能，有效提高了主橋的地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50111—2006鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2009年版)[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2009.

[2]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 1002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.

[3]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.

[4]陳永祁，耿瑞琦，馬良喆.橋梁用液體黏滯阻尼器的減振設(shè)計(jì)和類型選擇[J].土木工程學(xué)報(bào)，2007(7):55-61.

[5]馬良喆，陳永祁.液體黏滯阻尼器在結(jié)構(gòu)工程中的最新進(jìn)展[J].工程抗震與加固改造，2006(6):65-72.

[6]李俠.長(zhǎng)聯(lián)大跨連續(xù)梁橋減隔震設(shè)計(jì)方案比選[J].鐵道建筑，2014(6)：43-46.

[7]王麗娟.結(jié)構(gòu)動(dòng)力時(shí)程分析地震波輸入研究[D].新疆：新疆大學(xué)，2013

[8]龔憲生，謝志江，駱振黃，等.非線性隔振器阻尼特性研究[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2001(9)：334-338.

[9]王國(guó)新，梁樹(shù)霞，孫奉劼.基于振型疊加技術(shù)的確定性地震危險(xiǎn)性分析方法及其應(yīng)用[J].震災(zāi)防御技術(shù)，2009(3):49-56.

[10]楊川丁.淺析動(dòng)力時(shí)程分析中地震波的選取[J].四川建材，2012(3)：52-54.

[11]常亞軍，蘇毅，吳曙光，程文襄.黏彈性消能涼振結(jié)構(gòu)他系設(shè)計(jì)參數(shù)研究[J].工程抗震與加固改造，2007(12):15-19.

[12]賈九紅，沈小要，杜儉業(yè)，等.黏彈性阻尼器的力學(xué)特性分析[J].振動(dòng)與沖擊，2007(10):101-103.

Application and Research of Fluid Viscous Damper to Yellow River Extra-long Bridge on Wu-Xi Railway

LIU Hong-xu

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

Abstract：The type of bridge structure for the main bridge of Yellow River extra-long bridge on Wu-Xi railway is a large cross-span continuous beam bridge with huge mass superstructure. The seismic fortification is the key technology of this project. In this paper， a spatial finite element model is built with Midas/civil and three seismic waves suitable for site grade and seismic characteristics of bridge site are selected. The anti-seismic effect of the fluid viscous damper device installed between the non-fixed pier and the main beam is calculated with nonlinear time history analysis method. By setting up fluid viscous damper between the non-fixed pier and the main girder， the non-fixed pier is effectively coordinated under the dynamic action， and the seismic force of the fixed pier is reduced. The seismic fortification standard of the main bridge is effectively improved.

Key words：Railway bridge; Large cross-span continuous beam; Fluid viscous damper; Seismic wave; Nonlinear analysis

作者簡(jiǎn)介：劉紅緒(1980—)，男，工程師，2007年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，工學(xué)碩士，E-mail:liuhongxu163@163.com。

收稿日期：2015-05-27； 修回日期：2015-06-09

中圖分類號(hào)：U443.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.01.017

文章編號(hào)：1004-2954(2016)01-0079-04