吳 畏

(中鐵五局成都投資發(fā)展有限責(zé)任公司，四川 眉山 620562)

拱加勁連續(xù)剛構(gòu)橋基于粘滯阻尼器的減震研究

吳 畏

(中鐵五局成都投資發(fā)展有限責(zé)任公司，四川 眉山 620562)

以某拱加勁連續(xù)剛構(gòu)橋為工程背景，利用有限元軟件MIDAS/CIVIL建立三維模型，安裝粘滯阻尼器，采用Maxwell模型研究粘滯阻尼器阻尼參數(shù)選擇以及在受到地震激勵作用下該減震系統(tǒng)的減震效果,結(jié)果表明安裝了粘滯阻尼器耗能支撐的橋梁結(jié)構(gòu)地震動力反應(yīng)明顯地減小。

拱加勁連續(xù)剛構(gòu)橋，粘滯阻尼器，減震系統(tǒng)

0 引言

近年來，國內(nèi)外地震發(fā)生較為頻繁，給人們的生命財產(chǎn)安全帶來極大的危害。橋梁作為交通運(yùn)輸?shù)纳€如何能有效地減小地震作用的影響，是現(xiàn)在研究的重要方向。其中減隔震技術(shù)可以顯著提高橋梁結(jié)構(gòu)在遭遇地震時的安全性和穩(wěn)定性，減輕結(jié)構(gòu)的破壞。

拱加勁連續(xù)剛構(gòu)橋是將拱、梁、墩固結(jié)在一起的新型拱梁組合結(jié)構(gòu)，具有造型美觀、跨越能力大、施工簡單等優(yōu)點，近年來在工程中的應(yīng)用越來越廣。拱加勁連續(xù)剛構(gòu)橋可以極大地提高橋梁的豎向、縱向剛度，減小橋梁的豎向撓度和縱向位移。本文以某拱加勁連續(xù)剛構(gòu)橋為例，并采用非線性時程反應(yīng)分析方法在地震作用下對粘滯阻尼器進(jìn)行減震研究。

1 粘滯阻尼器工作原理及理論分析

粘滯阻尼器由缸體、活塞、阻尼介質(zhì)、關(guān)節(jié)軸承等部件和材料構(gòu)成，其核心部分是一個液壓裝置。圖1為粘滯阻尼器的剖面圖。結(jié)構(gòu)在地震力的作用下，粘滯阻尼器的活塞受到活塞桿的推力產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動，活塞運(yùn)動產(chǎn)生的壓力差迫使阻尼介質(zhì)通過阻尼孔，由此產(chǎn)生阻尼力，從而達(dá)到減小橋梁振動的目的。

國內(nèi)外許多專家根據(jù)不同的情況提出了一系列合理的粘滯阻尼器分析計算模型。常用的有線性模型、Maxwell模型、Kelvin模型、Wiechert模型、分?jǐn)?shù)導(dǎo)數(shù)模型、有限元模型、標(biāo)準(zhǔn)線性固體模型等。

本文中粘滯阻尼器采用Maxwell模型進(jìn)行分析，其恢復(fù)力表達(dá)式為：

(1)

2 有限元模型

利用大型有限元軟件MIDAS/CIVIL建立全橋空間有限元模型，跨度為93 m+200 m+93 m的拱加勁連續(xù)剛構(gòu)雙線鐵路橋，橋梁模型吊桿采用桁架單元建立，其余部分采用梁單元，全橋離散為46個桁架單元，378個梁單元。有限元模型如圖2所示。

2.1地震波的選取

對橋梁進(jìn)行一致激勵地震反應(yīng)分析，在兩個主墩底同時輸入相同地震波。地震動輸入沿橋的縱向輸入。橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼比取0.05。測區(qū)地震動峰值加速度為0.20g，測區(qū)為Ⅱ類場地，特征周期分區(qū)為三區(qū)，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。本文選擇EI-Centro波作為設(shè)計地震波，如圖3所示。

2.2粘滯阻尼器布設(shè)方案

在地震作用過程中，要充分發(fā)揮粘滯阻尼器的耗能減震作用，應(yīng)當(dāng)將阻尼器安裝在橋梁最大相對位移處。由于本橋1號、2號主墩均與梁體剛接，二者之間無相對位移，因此不能在主墩和主梁之間加設(shè)阻尼器。考慮到0號橋臺、3號過渡墩與梁體之間相對位移最大，因此，分別在0號橋臺、3號過渡墩與梁體之間布設(shè)1組粘滯阻尼器,如圖4所示(從左往右分別是0號～3號墩)。

3 參數(shù)敏感性分析及減震效果分析

3.1參數(shù)敏感性分析

根據(jù)拱加勁連續(xù)剛構(gòu)橋的受力特點并結(jié)合相關(guān)研究成果，本文將阻尼指數(shù)的取值范圍設(shè)定在0.4～0.8之間，阻尼系數(shù)C的取值范圍設(shè)定在2 000 kN/(m/s)2～6 000 kN/(m/s)2之間。參數(shù)分析工況劃分見表1。

表1 粘滯阻尼器參數(shù)分析工況

根據(jù)表1的參數(shù)分析工況，對拱加勁連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行非線性時程分析，得到墩頂彎矩與阻尼系數(shù)的關(guān)系曲線，如圖5所示。由于1號墩與2號墩內(nèi)力變化規(guī)律相近，限于篇幅，本節(jié)僅對1號墩進(jìn)行分析。從圖5可以看出，在C=4 000時，墩頂彎矩出現(xiàn)拐點，因此可初步確定阻尼系數(shù)C的取值為4 000。

圖6為阻尼系數(shù)對墩頂剪力值的影響曲線，設(shè)置阻尼器后，墩頂剪力顯著減小，當(dāng)α>0.6時，剪力隨阻尼系數(shù)單調(diào)遞減；當(dāng)α<0.6時，剪力先隨阻尼系數(shù)先單調(diào)遞減再趨于平穩(wěn)。

圖7為阻尼系數(shù)對梁端位移的影響曲線，從圖7中可以看出：梁端相對位移基本隨阻尼系數(shù)的增大而減小。

3.2減震效果分析

根據(jù)上述參數(shù)敏感性分析，取C=4 000 kN/(m/s)0.6nα=0.6代入模型，分析粘滯阻尼器的減震效果。表2給出了設(shè)置粘滯阻尼器前后計算結(jié)果對比和減震效率，注：減震效率=(未設(shè)置阻尼器橋梁動力響應(yīng)值-設(shè)置阻尼器后橋梁動力響應(yīng)值)/未設(shè)置阻尼器橋梁動力響應(yīng)值×100%。表2中僅給出1號墩墩頂動力響應(yīng)值。

表2 粘滯阻尼器減震效率分析表

從表2中數(shù)據(jù)可知，安裝粘滯阻尼器后，橋梁地震響應(yīng)得到有效控制：墩頂彎矩減小24.1%；墩頂剪力減小19.5%；梁端相對位移減小16.7%。

圖8～圖10為1號墩墩頂設(shè)置阻尼器和不設(shè)置阻尼器情況下位移與內(nèi)力時程曲線，從圖中可以看出，設(shè)置粘滯阻尼器后，墩頂位移與內(nèi)力均不同程度減小，橋墩的地震響應(yīng)得到有效控制。

圖11為推薦參數(shù)阻尼器的滯回曲線圖，最大阻尼力約1 500 kN，考慮一定的富裕度，單個阻尼器的設(shè)計阻尼力可取2 000 kN。結(jié)合橋梁在其他靜力荷載作用下的靜位移并考慮一定的安全富裕度，可將阻尼器的沖程定為±100 mm。

4 結(jié)語

針對拱加勁連續(xù)剛構(gòu)橋，建立了動力分析模型，對耗能減震理論進(jìn)行了概述，介紹了粘滯阻尼器的構(gòu)造和理論分析模型。建立了粘滯阻尼器數(shù)值分析模型，列出了粘滯阻尼器參數(shù)分析工況，在此基礎(chǔ)上對其進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析，得到一些結(jié)論：

1)綜合對比了1號墩墩頂截面的地震響應(yīng)關(guān)于阻尼系數(shù)C和阻尼指數(shù)α的變化規(guī)律，最后分析表明得當(dāng)阻尼參數(shù)為C=4 000 kN/(m/s)0.6nα=0.6時，結(jié)構(gòu)反應(yīng)最小。

2)設(shè)置阻尼器后，全橋縱向的地震響應(yīng)得到了很好的控制，1號墩墩頂彎矩減小24.1%；墩頂剪力減小19.5%；梁端相對位移減小16.7%。經(jīng)驗算，主墩承載力及基礎(chǔ)配筋均滿足要求。

[1] 白全安.連續(xù)剛構(gòu)加勁拱組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計[J]．鐵道建筑技術(shù)，2009(4)：17-19.

[2] 黃宗明,白紹良,賴 明.結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)時程分析中的阻尼問題評述[J].地震工程與工程振動,1996,16(2):95-105.

[3] 童申家,李 綱,姜 浩.不同相位差地震作用下鋼管混凝土拱橋減震研究[J].橋梁建設(shè)，2009(3)：22-25.

[4] 楊德健,耿 辰,宋佳楠.基于多點激勵下黏滯阻尼器在斜拉橋中的減震效果分析[J].世界地震工程,2015,31(2)：34-42.

[5] 周 云，周福霖.耗能減震體系的能量設(shè)計方法[J].世界地震工程,1997，13(4)：7-13.

[6] 王 倩.橋梁抗震粘滯阻尼器參數(shù)分析研究[D].西安:長安大學(xué)碩士學(xué)位論文,2011.

[7] Leger P，Idel M，Paultre P.Multiple support seismic analysis of large structures[J].Computers & Structures，1990，36(6)：1153-1158.

[8] Lin W H，Chopra A K.Earthquake response of elastic SDF systems with non-linear fuid viscous dampers[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics，2002，31(9)：1623-1642.

Eismicresponseanalysisofarchstiffeningcontinuousrigidframebridgeundershockabsorption

WuWei

(ChengduInvestmentsLtdofthe5thRailwaysGroupofChina,Meishan620562,China)

This paper takes the arch stiffening continuous rigid frame bridge as the engineering background, uses the finite element software MIDAS/CIVIL to establish the three-dimensional model, install viscous dampers, research how to choose viscous dampers and under seismic excitation, the damping effect of damping system by Maxwell model. The result of the bridge what install viscous dampers can reduce the effect of earthquake obviously.

arch stiffening continuous rigid frame bridge, viscous damper, shock mitigation system

1009-6825(2017)30-0165-03

2017-08-17

吳 畏(1974- )，男，工程師

U442.55

A