宋松科　李軍歌　熊倫　劉偉

【摘 要】越來越多的懸索橋采用粘滯阻尼器以降低縱向地震位移，為確保懸索橋地震安全性具有重要意義。文章分析了粘滯阻尼器參數(shù)對(duì)紫坪鋪特大橋關(guān)鍵部位的縱橋向地震響應(yīng)的影響，對(duì)粘滯阻尼器進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。結(jié)果表明：粘滯阻尼器可以有效減小主梁位移、支座位移，一定程度減小橋塔塔頂位移、塔底彎矩及塔底剪力，這有利于該橋梁的抗震體系;隨著阻尼系數(shù)C的不斷增加，橋梁各地震響應(yīng)均出現(xiàn)了先減小后增大的趨勢(shì)，表明選取阻尼器型號(hào)時(shí)有必要進(jìn)行計(jì)算分析以確保阻尼器參數(shù)處于合理范圍內(nèi);橋塔樁基礎(chǔ)所處的土層或場(chǎng)地特性會(huì)對(duì)懸索橋兩岸塔柱的內(nèi)力和位移均產(chǎn)生一定影響;粘滯阻尼器的減震效果由阻尼系數(shù)C及速度指數(shù)α共同決定，綜合考慮減震效果及阻尼器自身特性，建議阻尼器參數(shù)C=2000 kN/（m/s）α，α=0.3。

【關(guān)鍵詞】懸索橋; 減震研究; 粘滯阻尼器; 阻尼器參數(shù)

【中圖分類號(hào)】U442.5+5【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

1 工程概況

紫坪鋪特大橋位于都江堰經(jīng)映秀至汶川段公路上，為跨越紫坪鋪水庫(kù)而設(shè)。該工程區(qū)位于龍門山斷裂帶主中央斷裂（北川—映秀斷裂）與主山前斷裂（江油—灌縣斷裂）之間，地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜。紫坪鋪特大橋的抗震安全性成為其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一。紫坪鋪特大橋主橋?yàn)?85 m雙塔單跨鋼板組合梁懸索橋，主纜分跨為125 m+485 m+125 m，兩岸錨錠均為隧道錨。地震動(dòng)峰值加速度0.2 g，抗震設(shè)防烈度八度，抗震設(shè)防類別為A類，抗震設(shè)防措施等級(jí)為9級(jí)。橋梁立面布置圖見圖1。

2 研究意義

懸索橋的主梁在縱向地震作用下并不會(huì)迫使主塔發(fā)生縱向彎曲，主塔的地震響應(yīng)主要與其自身的剛度和質(zhì)量分布相關(guān)，通常并不會(huì)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。但懸索橋的主梁與主纜之間一般采用垂直吊索連接，為提高縱向約束剛度以滿足抗風(fēng)等縱向荷載作用下的結(jié)構(gòu)性能需要，大跨度懸索橋有時(shí)會(huì)設(shè)置中央扣。這種連接構(gòu)造也導(dǎo)致主梁的縱向地震慣性力主要由中央扣傳遞至主纜，若主梁在地震作用下產(chǎn)生較大縱向位移，也會(huì)加劇橋塔的縱向地震響應(yīng)。因此，越來越多的懸索橋采用粘滯阻尼器以降低縱向地震位移。

本文以紫坪鋪特大橋（空間纜大跨度懸索橋）為工程背景，分析橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及動(dòng)力響應(yīng)，在延性抗震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，研究設(shè)置液體粘滯阻尼器后橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，對(duì)阻尼器力學(xué)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期為同類型橋梁的抗震設(shè)計(jì)提供有力參考。

3 粘滯阻尼器減震原理

粘滯阻尼器是由活塞、油缸、黏性液體及節(jié)流孔等組成，節(jié)流孔是比油缸截面面積小的流通通路，如圖2所示?；钊哂行】?，油缸中的黏性液體一般為硅油，當(dāng)活塞與油缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，液體從活塞一側(cè)通過活塞上的小孔流向活塞另外一側(cè)，從而產(chǎn)生阻尼力耗散結(jié)構(gòu)能量。粘滯阻尼器在蠕變變形作用下，產(chǎn)生的阻尼力很小，接近于零;在地震作用下，活塞運(yùn)動(dòng)速度增大，粘滯阻尼器產(chǎn)生的阻尼力也會(huì)增大。粘滯阻尼器正常使用條件較嚴(yán)格，需要注意油壓調(diào)整、漏油、灰塵侵入等問題，一旦上述問題發(fā)生，其功效可能完全失效，甚至威脅結(jié)構(gòu)安全。

橋梁安裝粘滯阻尼器后，粘滯阻尼器不會(huì)給結(jié)構(gòu)提供剛度，因此不影響結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)周期，圖3為粘滯阻尼器的滯回曲線示意圖（速度指數(shù)為1），從中可以看到其滯回曲線非常飽滿，具有較強(qiáng)的耗能能力，同時(shí)阻尼器在最大位移狀態(tài)時(shí)阻尼力為零，在最大受力狀態(tài)時(shí)位移為零，這種性能有利于減小結(jié)構(gòu)的受力響應(yīng)。

液體粘滯阻尼器通常采用Maxwell模型（圖4）進(jìn)行模擬，該模型包括阻尼特性和連接剛度兩個(gè)部分，彈簧與阻尼器相互串聯(lián)，與實(shí)際液體阻尼器特性相符。粘滯阻尼器是與速度相聯(lián)的阻尼器，其阻尼力與速度之間的理論關(guān)系可用下式表示：

F=Cv

式中：F為粘滯阻尼器的阻尼力kN;C為阻尼系數(shù)kN/（m/s）α;v為阻尼器活塞與缸體運(yùn)動(dòng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度m/s;α為阻尼器的速度指數(shù)，橋梁抗震領(lǐng)域中，常用值一般取0.3～1.0。

速度指數(shù)α體現(xiàn)粘滯阻尼器的非線性特性。當(dāng)α=0時(shí)，阻尼器為純摩擦阻尼器，當(dāng)α=1時(shí)，阻尼器為線性阻尼器。圖5顯示了阻尼力F、速度v、速度指數(shù)α之間的關(guān)系，其中C取3 000，α≤1.0。從圖中可以看出，當(dāng)α<1.0時(shí)，阻尼力F隨速度v增大而增大，且增速隨速度增加而放緩;當(dāng)速度v<1.0時(shí)，α越小，阻尼力越大;當(dāng)速度v>1.0時(shí)，α越小，阻尼力越小。

粘滯阻尼器若要發(fā)揮耗能作用，需要一定的相對(duì)位移、相對(duì)速度。因此考慮將粘滯阻尼器布置在懸索橋主梁端部。當(dāng)?shù)卣鹱饔脮r(shí)，主梁與橋塔下橫梁發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，阻尼器開始進(jìn)入耗能階段。在每個(gè)橋塔下橫梁均設(shè)置一對(duì)阻尼器。

4 阻尼器優(yōu)化計(jì)算工況

粘滯阻尼器主要力學(xué)參數(shù)為阻尼系數(shù)C和速度指數(shù)α，阻尼系數(shù)主要影響阻尼器的阻尼力，而速度指數(shù)則影響阻尼器的滯回特性。在橋梁抗震領(lǐng)域中，阻尼系數(shù)范圍通常為500～8 000 kN/（m/s）α，α取值為0.2～1.0。因此，在對(duì)粘滯阻尼器進(jìn)行參數(shù)分析時(shí)采用表1所示工況，共計(jì)22個(gè)工況。

5 地震響應(yīng)規(guī)律及減震效果

5.1 位移響應(yīng)比較

圖6為橋塔各塔柱順橋向位移響應(yīng)規(guī)律，圖7為左、右側(cè)1號(hào)支座順橋向位移響應(yīng)規(guī)律，圖8為左右側(cè)梁體順橋向梁端位移響應(yīng)規(guī)律。

由上圖分析可知：

（1）液體粘滯阻尼器對(duì)橋梁的橋塔、支座和梁體位移的減震效果非常顯著。

（2）當(dāng)阻尼器速度指數(shù)α一定時(shí)，橋塔各塔柱的塔頂縱向位移隨阻尼系數(shù)C的增大出現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律，表明α不宜過小或過大。

（3）阻尼器速度指數(shù)α一定時(shí)，支座和主梁縱向位移隨阻尼系數(shù)C的增大而減小，當(dāng)阻尼系數(shù)小于3 000時(shí)下降迅速，隨后趨于穩(wěn)定。

（4）當(dāng)阻尼系數(shù)C小于3 000時(shí)，T1和T2塔柱頂部位移隨α的減小而降低，但超過3 000后則呈相反的趨勢(shì)，T3和T4塔柱則在C超過1 000后出現(xiàn)塔頂位移隨α的減小而增大的趨勢(shì)。

（5）在阻尼系數(shù)6 000范圍內(nèi)，梁體梁端的位移和支座位移響應(yīng)均隨α的減小而減小，但梁端位移在大于6 000后則呈相反的趨勢(shì)。

5.2 彎矩響應(yīng)比較

圖9為橋塔各塔柱墩底彎矩圖。由圖分析可知：

（1）當(dāng)速度指數(shù)一定時(shí)，各塔柱的塔底彎矩隨阻尼系數(shù)呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)變化，在阻尼系數(shù)2 000～4 000范圍內(nèi)取得理想的效果。

（2）當(dāng)阻尼系數(shù)超過一定值后，墩底彎矩隨速度指數(shù)的增加而減小。

（3）在阻尼系數(shù)超過一定4 000，塔底的彎矩響應(yīng)幾乎為線性增加，表明阻尼系數(shù)過大會(huì)起到相反的作用。

5.3 剪力響應(yīng)比較

圖10為橋塔各塔柱墩底剪力圖，分析可知：

（1）當(dāng)速度指數(shù)一定時(shí)，各塔柱的塔底剪力隨阻尼系數(shù)呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)變化，說明阻尼系數(shù)應(yīng)取更合理的值。

（2）左側(cè)塔柱T1、T2的最低剪力響應(yīng)阻尼系數(shù)為2 000～3 000，右側(cè)塔柱T3、T4的最低剪力響應(yīng)阻尼系數(shù)為4 000～6 000，其可能的原因是兩岸樁基礎(chǔ)的土層存在較大差異，左側(cè)為基巖場(chǎng)地，而右側(cè)為覆蓋土層。

（3）對(duì)于塔柱T1和T2，，阻尼系數(shù)超過3 000后，塔底的剪力隨速度指數(shù)的增加而減小，而塔柱T3和T4的塔底剪力在1 000～6 000范圍內(nèi)隨速度指數(shù)的增大而提高。

（4）阻尼系數(shù)超過一定數(shù)值后，部分工況塔底的剪力響應(yīng)程線性增加，表明阻尼系數(shù)過大會(huì)起到相反的作用。

6 小結(jié)

本文分析了粘滯阻尼器參數(shù)對(duì)紫坪鋪特大橋橋關(guān)鍵部位的縱橋向地震響應(yīng)的影響，對(duì)粘滯阻尼器進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。主要結(jié)論如下：

（1）粘滯阻尼器是一種有效的消能減震裝置，可以有效減小主梁位移、支座位移，一定程度減小橋塔塔頂位移、塔底彎矩及塔底剪力，這有利于該橋梁的抗震體系。

（2）隨著阻尼系數(shù)C的不斷增加，橋梁各地震響應(yīng)均出現(xiàn)了先減小后增大的趨勢(shì)，表明選取阻尼器型號(hào)時(shí)有必要進(jìn)行計(jì)算分析以確保阻尼器參數(shù)處于合理范圍內(nèi)。

（3）橋塔樁基礎(chǔ)所處的土層或場(chǎng)地特性會(huì)對(duì)懸索橋兩岸塔柱的內(nèi)力和位移均產(chǎn)生一定影響。

（4）粘滯阻尼器的減震效果由阻尼系數(shù)C及速度指數(shù)α共同決定，綜合考慮減震效果及阻尼器自身特性，建議阻尼器參數(shù)C=2 000 kN/（m/s）α，α=0.3。

參考文獻(xiàn)

[1]JTG/T 2231-01-2020 公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]葉愛君，范立礎(chǔ).附加阻尼器對(duì)超大跨度斜拉橋的減震效果[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006（7）：859-863.

[3]魯傳安，胡世德，葉愛君.強(qiáng)震區(qū)大跨高墩連續(xù)梁橋抗震性能研究[J].結(jié)構(gòu)工程師，2007（6）：56-61.

[4]張永亮，陳興沖，吳海燕.基于粘滯液體阻尼器的鐵路鋼桁梁橋減震研究[J].世界地震工程，2009，25（4）：97-102.

[5]張常勇，王志英，王宏博.長(zhǎng)聯(lián)大跨連續(xù)鋼桁梁橋減隔震設(shè)計(jì)研究[J].公路交通科技，2015，32（8）：80-88.

[6]李金銘.長(zhǎng)聯(lián)大跨連續(xù)鋼桁梁抗震型式研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2016，60（1）：55-58.

[7]毛玉東，李建中.大跨連續(xù)梁橋縱向減震機(jī)理和減震效果分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2016，44（2）：185-191.

[8]楊華平，錢永久，樊啟武，等.大跨鐵路鋼桁連續(xù)梁橋減隔震方案比較研究[J].地震工程學(xué)報(bào)，2017，39（6）：1097-1104.

[定稿日期]2021-05-06

[作者簡(jiǎn)介]宋松科（1982～），男，碩士，高級(jí)工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)與研究工作。