賈 帥

（山西長治公路勘察設計院，山西 長治046000）

0 引言

地震災害對橋梁工程往往帶來毀滅性破壞，橋梁工程抗震設計十分重要和必要。為應對地震作用影響，除了設計具有優(yōu)良抗震性能的橋型，目前提高橋梁抗震性能的方法主要有兩個層面：a）通過增加橋墩的截面面積或增加配筋量來提高橋梁的抗震能力；b）利用在橋梁上安裝非線性阻尼器，將橋梁的地震作用與地面隔離開來，地震中讓阻尼器吸收地震能量，從而達到降低橋梁墩臺的彎矩和剪力的目的。

黏滯阻尼器對斜拉橋的抗震性能影響方面已有諸多研究成果，陳永健等通過對大跨度斜拉橋主塔與主梁直連設置阻尼器的影響研究，表明在塔梁之間設置黏滯阻尼器可減小斜拉橋的縱向地震響應[1]。楊德建等研究了黏滯阻尼器的安裝位置及阻尼系數(shù)對抗震效果的影響，研究表明采用合理的阻尼器參數(shù)選取方案對關鍵點的內(nèi)力和位移控制效果均有顯著提高[2]。張常勇等研究表明在半漂浮體系斜拉橋中推薦采用液體黏滯阻尼器約束減震的方案[3]。胡慶安在相同的地震波下通過對3種不同體系的斜拉橋進行時程分析，研究表明黏滯阻尼器能夠改善斜拉橋的動力性能，加黏滯阻尼器的半漂浮體系最符合斜拉橋的減震思想[4]。李高超等研究發(fā)現(xiàn)黏滯阻尼器雖可減小斜拉橋主要構(gòu)件的地震響應，但可能增大其他構(gòu)件的地震響應，應慎重考慮[5]。袁萬成等對斜拉橋減隔震裝置的研究中表明：黏滯阻尼器能有效地控制斜拉橋的結(jié)構(gòu)內(nèi)力但控制位移的能力有限[6]。葉愛君等研究表明液體黏滯阻尼器能顯著地減小梁端的縱向位移[7]。亓興軍等研究表明黏滯阻尼器對大部分地震反應均能取得較好的減震效果[8]。聶麗英等研究認為液體黏滯阻尼器對于梁端的相對位移、相對速度、相對加速度均有減震作用，但不會始終對所有構(gòu)件的受力有利[9]。方志等分析表明在適當?shù)奈恢迷O置縱向黏滯阻尼器，可以有效地降低結(jié)構(gòu)在地震作用下關鍵部位的位移，改善結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震力，同時設置阻尼器避免了相鄰主梁可能發(fā)生碰撞引起的結(jié)構(gòu)損壞[10]。

本文通過對一座主跨跨度為360 m的雙塔斜拉橋為工程實例，分析了在設置黏滯阻尼器和不設置黏滯阻尼器兩種情況下，縱向地震作用對該橋梁地震響應的影響，研究黏滯阻尼器的減隔振效果及應用。

1 黏滯性阻尼器的減震原理及力學模型

黏滯阻尼器是利用活塞前后壓力差使油流過節(jié)流孔產(chǎn)生阻尼力的一種減震裝置。當阻尼力與相對變形的速度成比例時是線性的，當阻尼力與速度不成比例時,是非線性的。一般關系可表達為：

式中：F為阻尼力；C為阻尼系數(shù)；V為阻尼器沖程速度；ξ為阻尼指數(shù)，其值范圍在0.1～2.0，從抗震角度看，常用值一般在0.2～1.0。阻尼系數(shù)C增加意味著阻尼力和耗能能力的增加，而速度指數(shù)ξ對阻尼力和耗能能力的影響與速度V有關。通常速度指數(shù)越小，黏滯阻尼器耗能能力越強[10]。

大量實驗表明[11]，黏滯阻尼器之所以有較好的限位能力，除了因為滯回曲線飽滿外，還在于其提供的阻尼力與結(jié)構(gòu)的恢復力之間存在相位差。當阻尼系數(shù)在一定范圍內(nèi)時，在地震作用下有：當位移最大時，速度最小，恢復力最大，阻尼力最小，有利于結(jié)構(gòu)復位；當位移最小時，速度最大，恢復力最小，阻尼力最大，阻止結(jié)構(gòu)偏離平衡位置。這與鉛芯橡膠支座、摩擦搖擺支座和彈塑性阻尼器的作用機理有本質(zhì)上的區(qū)別。

黏滯阻尼器裝置有效地用于動態(tài)應力作用下兩個結(jié)構(gòu)元件之間會產(chǎn)生相對位移的地方：例如大橋的橋面與橋臺之間或橋面與橋墩之間。當阻尼器用于結(jié)構(gòu)計算時，可以用Maxwell力學模型進行模擬，即一個彈簧單元與阻尼單元的串聯(lián)。其彈簧剛度為阻尼器自身剛度，通常由活塞桿截面決定。

圖1 阻尼器Maxwell力學模型示意圖

2 斜拉橋動力特性及地震波選取

2.1 斜拉橋概況及有限元模型

某雙塔雙索面斜拉橋，橋梁全長608 m，跨度布置為（124+360+124）m，采用鋼筋混凝土H型橋塔。應用大型有限元軟件建立全橋三維有限元模型，箱梁、塔、索及墩身均采用梁單元；并將二期恒載作為質(zhì)量附屬于節(jié)點上；在建立質(zhì)量矩陣時直接把這些荷載轉(zhuǎn)化成質(zhì)量。

圖2 全橋三維有限元模型

2.2 斜拉橋動力特性分析

斜拉橋前10階模態(tài)計算結(jié)果如表1所示。其中第一階為橋梁水平方向振動，周期為7.912 s，反映出橋梁縱飄的周期很長，可能地震時橋梁的縱向位移較大。第二階和第三階為橫向振動，圖3給出了大橋前兩階振型圖。

表1 大橋前10階模態(tài)

圖3 斜拉橋前兩階振型圖

2.3 地震波選取

一般實際工程很難有實測地震記錄波，本文根據(jù)《公路橋梁抗震設計細則》規(guī)范[12]可以采用人工合成的方式得到橋梁的地震動加速度時程。首先根據(jù)抗震細則得到加速度反應譜，根據(jù)規(guī)范本橋的反應譜周期小于2 s時，加速度已經(jīng)非常小了，但本橋的一階自振周期達到6 s以上，如完全按照規(guī)范進行的話，對該橋的抗震安全性十分不利，為此借鑒鐵路抗震規(guī)范的做法，修改所采用的加速度反應譜，如圖4所示。根據(jù)修改后的加速度譜進行人工合成了3條地震時程，其中一條如圖5所示。

圖4 修改的加速度反應譜

圖5 一條地震波時程及反應譜

3 黏滯阻尼器的斜拉橋減隔振效果

3.1 橋塔基底彎矩

在未設置減隔震支座工況下，支座基本是線性的，地震計算采用線性時程計算，驗算墩頂、墩底等構(gòu)件受力。橋梁結(jié)構(gòu)地震響應的過程實際上是橋梁結(jié)構(gòu)共振的過程，其地震響應的強烈取決于結(jié)構(gòu)自振周期及地震烈度，對于該橋地震烈度并不是很大。對于不設置黏滯阻尼器的橋梁，計算了3條地震波下的橋梁彎矩包絡圖，計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)橋塔底部（即承臺底）彎矩最大值為2.23×106kN·m，如此大的彎矩對塔底部可能會產(chǎn)生破壞。

由于斜拉橋的箱梁及拉索均為鋼結(jié)構(gòu)，自身阻尼比小，抗震細則規(guī)定阻尼比為0.02。在進行抗震模擬時，需要將阻尼單元放入模型中，并設置合理的參數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗非線性指數(shù)越小減震效果越好，本次分析選用的非線性速度指數(shù)為0.2，在每個塔上設置4個1 500 kN的黏滯性阻尼器，全橋共設置8個黏滯性阻尼器。

計算設置黏滯阻尼器后在3條地震波下的橋梁彎矩包絡圖，計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)塔底部的彎矩最大值為8.10×105kN·m，較未設置黏滯阻尼器時降幅比例達到60%，減震效果非常理想。

3.2 梁體位移

由于斜拉橋多為漂浮體系，縱向僅僅依靠拉索約束，而這些拉索均是鋼結(jié)構(gòu)，自身的阻尼比非常低，使得地震時梁體共振，縱向位移過大。所以對于斜拉橋來說，縱向地震的另一個危害就是梁體縱向位移。圖6給出了未設置黏滯阻尼器時的3條地震波下的梁體縱向漂移曲線。從圖6可以看出，在地震時梁體的最大縱向位移高達0.9 m，如此大的位移對支座、伸縮縫、以及拉索均有較大安全隱患。所以必須考慮采取措施降低梁體位移，以提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能。

通過設置黏滯性阻尼器后，梁體位移大大降低，圖7是3條地震波下梁體的縱向位移曲線，最大值僅僅為0.086 m，較設置前降幅比例達90%，效果非常明顯。這是由于設置阻尼器后，整體橋梁系統(tǒng)的阻尼比大幅提升，地震時避免出現(xiàn)橋梁共振現(xiàn)象，圖7梁體的振動時程也證實了這一點。

圖6 未設置阻尼器時的梁體地震縱向位移

圖7 設置黏滯阻尼器后的梁體地震縱向位移

4 結(jié)論

本文以一座大跨雙塔斜拉橋為研究對象，分析了設置黏滯阻尼器和不設置黏滯阻尼器兩種情況下縱向地震對斜拉橋的影響，分析結(jié)論如下：

a）未設置阻尼器時，縱向地震力引起斜拉橋橋塔底部彎矩比較大，基本已超出結(jié)構(gòu)承載極限，必須進行減隔震設計；設置縱向黏滯阻尼器，能夠大幅降低橋塔底部縱彎矩，從而提高斜拉橋的抗震能力。

b）縱向采用黏滯阻尼器，整體橋梁系統(tǒng)的阻尼比大幅提升，可以大幅減小斜拉橋梁體縱向地震下縱漂位移，黏滯阻尼器是一種有效的斜拉橋減震措施。