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        連續(xù)剛構(gòu)橋采用粘滯阻尼器后的抗震性能分析

        2018-09-10 09:00:04徐成賢
        城市道橋與防洪 2018年7期

        徐成賢

        (甘肅能源化工職業(yè)學(xué)院,甘肅 蘭州 730046)

        0 引言

        由于連續(xù)剛構(gòu)橋的剛構(gòu)墩協(xié)同受力、抗震性能好的特點,使得其在橋型選擇中具備了很大競爭力,但是在設(shè)計時同樣必須考慮其抗震性能[1-2]?,F(xiàn)在較為流行的設(shè)計是采用減隔震裝置,如粘滯阻尼器、速度鎖定裝置、摩擦擺支座等。

        文獻[3]研究表明,粘滯阻尼器在連續(xù)梁或者三、四跨簡支梁的抗震加固中具有一定的優(yōu)勢;文獻[4]通過對比分析粘滯阻尼器和雙曲面球型支座在大跨度連續(xù)梁橋中的應(yīng)用效果,提出了二者配合使用的方案;文獻[5]研究結(jié)果表明粘滯阻尼器耗能支撐的使用可以減小拱橋的地震響應(yīng)。文獻[6-8]對粘滯阻尼器在其他橋型,如斜拉橋、懸索橋中的使用分別進行了研究。

        本文以某鐵路高墩三跨連續(xù)剛構(gòu)橋為研究背景,首先建立有限元分析模型并作用修正后的地震波,對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)進行分析后,研究在活動墩順橋向設(shè)置粘滯阻尼器的減震效果;然后以活動墩墩梁相對位移最小為目標函數(shù),兼顧考慮墩底受力,對粘滯阻尼器的參數(shù)進行敏感性分析,并確定合理的參數(shù)取值。通過對減震效果的定量分析,最終確定粘滯阻尼器可提高該橋的抗震性能。

        1 工程概況

        某鐵路三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋全長220 m,孔跨布置為60 m+100 m+60 m,墩高依次為 44 m、61.5 m、61.5 m、52 m(見圖 1)。箱梁截面采用傳統(tǒng)的單箱單室箱梁變高度直腹板截面,梁底曲線采用二次拋物線。箱梁在中支點處梁高7.5m,跨中及邊墩支點處高4.6 m,箱梁頂寬7.5 m,箱梁底寬5.0 m。箱梁典型截面尺寸見圖2。

        圖1 全橋立面布置圖(單位:cm)

        圖2 箱梁典型截面(單位:cm)

        2 全橋有限元模型及地震波選取

        2.1 全橋有限元模型

        嚴格按照設(shè)計圖紙所提供的尺寸,使用Midas/civil軟件建立如圖3所示的分析模型。采用空間梁單元模擬主梁、橋墩和基礎(chǔ);9#墩直接在墩底施加約束,而樁基礎(chǔ)采用樁土-彈簧模型模擬。土彈簧剛度根據(jù)《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 10002.5—2005)的“m”法計算[9],本文取為m=18 000 kN/m4。

        圖3 全橋有限元模型圖

        2.2 地震波選取

        橋址區(qū)地震動峰值加速度為0.25g,場地特征周期為0.45 s。本文選取3條與橋址區(qū)場地類別相近的強震記錄作為地震激勵,分別為EICentro波、Taft波和San Fernando波。

        使用式(1)對地震波修正后,各波的加速度峰值就能達到0.25g。

        式中:a(t),Amax分別為原紀錄加速度曲線和峰值;a’(t),A’max分別為調(diào)整后加速度曲線和峰值。

        3條修正后的地震波曲線見圖4。

        3 結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)及參數(shù)敏感性分析

        3.1 地震響應(yīng)分析

        在上述有限元模型的基礎(chǔ)上,將波1~3按“順橋向+0.65豎向”輸入。采用Newmark-β直接積分算法計算前30 s的地震響應(yīng),計算步長Δt=0.02 s,阻尼比ξ取0.05。提取不同地震波作用下墩底內(nèi)力和墩梁相對位移的時程曲線。鑒于篇幅所限,下面僅給出10#墩在波1作用下、11#墩在波2作用下的彎矩和剪力時程曲線,以及9#墩在波1作用下、12#墩在波2作用下的墩梁相對位移時程曲線,分別見圖5~7。同時提取不同地震波作用下各地震響應(yīng)中的最大值列于表1。

        由表1可以看出,10#和11#剛構(gòu)墩的墩底最大剪力、彎矩均出現(xiàn)在波2作用下,其中10#墩分別達到了18.43 MN、599.17 MN·m;與之相鄰的9#墩的最大剪力、彎矩僅有10#墩的1/3左右;3條不同波作用下的9#墩和12#墩的墩梁相對位移分別在8.6 cm和12.8 cm以上。顯然,墩梁相對位移越大,與鄰梁碰撞的幾率越大。

        圖4 修正后的地震波曲線

        圖5 墩底彎矩時程曲線

        圖6 墩底剪力時程曲線

        圖7 墩梁相對位移時程曲線

        3.2 減震方案選擇

        液體粘滯阻尼器作為一種較成熟的減震裝置,在連續(xù)梁橋抗震設(shè)計中使用較多。其力學(xué)相關(guān)型的阻尼器的阻尼力為:

        粘滯阻尼器由彈簧、阻尼器兩大部分構(gòu)成,現(xiàn)在研究較多采用Maxwell模型來模擬,如圖8所示。

        圖8 Maxwell模型

        阻尼力F可表示為:

        式中:K為彈簧剛度,d為彈簧變形。

        由式(2)可看出,影響減震效果的就是參數(shù)C和ξ。為了選擇合理的C和ξ,需要進行參數(shù)的敏感性分析。對于C和ξ的取值,一般經(jīng)驗是ξ分別取 0.3、0.5、0.7、0.9;C 分別取 2 000、4 000、6 000、8 000;分析中可組合出16種工況。對于粘滯阻尼器的布置,根據(jù)其工作原理應(yīng)該布置在墩梁相對位移較大處。結(jié)合表1數(shù)據(jù),本文在9#墩和12#墩的墩頂順橋向各設(shè)置2個阻尼器。

        3.3 粘滯阻尼器參數(shù)選擇

        提取布置不同粘滯阻尼器參數(shù)工況的地震響應(yīng)進行分析。由于文章篇幅所限,這里僅給出10#墩、11墩墩底在波1作用下的剪力時程曲線、10#墩、11#墩墩底在波2作用下的彎矩時程曲線;9#墩(波1作用下)和12#墩(波2作用下)的墩梁相對位移變化曲線,見圖9~11。

        在未布置粘滯阻尼器的情況下,波1作用下10#墩墩底剪力和彎矩分別達到了15.58 MN和520.23 MN·m。對比圖9數(shù)據(jù)可看出,所選不同參數(shù)的粘滯阻尼器均使10#墩的地震響應(yīng)有不同程度的減小。且無論是墩底剪力或彎矩,當C值一定、ξ值增大,或者ξ值一定、C值減小時,其地震響應(yīng)值均減小。

        表1 地震響應(yīng)最大值

        圖9 10#墩墩底內(nèi)力變化曲線

        圖10 11#墩墩底內(nèi)力變化曲線

        表1中,11#墩的墩底最大剪力和彎矩分別可以達到15.84 MN和523.55 MN·m。對比圖10可看出,布置不同參數(shù)的粘滯阻尼器后,11#墩的地震響應(yīng)變化規(guī)律與10#墩相同,宜選擇C值較小、ξ值較大的粘滯阻尼器。

        圖11 墩梁相對位移變化曲線

        對比圖11和表1可看出,粘滯阻尼器的布置對邊墩墩梁相對位移的減小作用特別明顯:波1作用下9#墩相對位移由9.25 cm減小到0.51 cm;波2作用下12#墩相對位移由15.12 cm減小到0.23 cm。但是粘滯阻尼器參數(shù)變化所帶來的墩底內(nèi)力與墩梁相對位移等響應(yīng)的變化規(guī)律正好相反:當C值一定、ξ值增大,或者ξ值一定、C值減小時,墩梁相對位移減小較少。

        4 參數(shù)確定及減震效果分析

        4.1 粘滯阻尼器參數(shù)確定

        如果從減小剛構(gòu)墩墩底內(nèi)力的角度出發(fā),粘滯阻尼器的參數(shù)選擇應(yīng)使C值較小、ξ值較大;從減小邊墩墩梁位移的角度出發(fā),參數(shù)選擇應(yīng)使C值較大而ξ值較小。因為墩梁相對位移過大會增加鄰梁相互碰撞的幾率,所以應(yīng)首先注重減小墩梁位移,兼顧減小剛構(gòu)墩墩底內(nèi)力。本文選擇了ξ=0.5,C=4 000 kN(/m·s-1)ξ進行后續(xù)減震效果分析。

        4.2 減震效果分析

        為了能對粘滯阻尼器的減震效果進行定量分析,通過式(4)計算布置粘滯阻尼后的減震率。計算減震率時,無阻尼器和有阻尼器的地震響應(yīng)均選擇了3條地震波下的最大值。

        圖12 減震效果圖

        從圖12可以看出,在2個邊墩布置ξ=0.5,C=4 000 kN/(m·s-1)ξ的粘滯阻尼器后,9#墩和12#墩墩梁相對位移的減震效果最為明顯,減震率在80%以上。11#墩的墩底內(nèi)力變化不明顯,但是10#墩和12#墩墩底內(nèi)力的減震率達到了15%以上。9#墩墩底內(nèi)力出現(xiàn)負減震率是因為其分擔了剛構(gòu)墩的受力,由于減震前其墩底剪力和彎矩本身就不大,所以出現(xiàn)負減震率可以使9#墩材料的力學(xué)性能發(fā)揮得更加充分。

        5 結(jié)語

        (1)如果考慮減小剛構(gòu)墩墩底內(nèi)力,應(yīng)使粘滯阻尼器參數(shù)C值較小、ξ值較大;如果考慮減小活動墩墩梁相對位移,應(yīng)使C值較大、ξ值較小。

        (2)粘滯阻尼器的使用,可以顯著改變活動墩墩梁相對位移較大的情況。

        (3)布置本文所選參數(shù)的粘滯阻尼器,不僅可以在很大程度上減小活動墩的墩梁相對位移,還可以使各墩協(xié)同受力,充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能。

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