曾志剛

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

1 工程概況

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展、科學技術(shù)的創(chuàng)新及各種各種行業(yè)學術(shù)理論的進步，我國的交通事業(yè)得到了快速發(fā)展。特別是近年來，我國修建了許多位于世界技術(shù)前沿的大跨特殊橋梁結(jié)構(gòu)。隨著結(jié)構(gòu)在跨度和高度上的突破，抗震問題也成為橋梁工程理論研究和設(shè)計施工人員需要面對的重點及難點。為跨越黃河河口水庫而建設(shè)的河口大橋是蘭州（新城）至永靖沿黃河快速通道的重點控制性工程。大橋主橋為雙塔雙索面結(jié)合梁斜拉橋，主跨跨徑360 m，邊跨跨徑177 m，主塔高99 m；兩邊跨各設(shè)置一個輔助墩，主橋孔跨布置為77 m+100 m+360 m+100 m+77 m，主橋全長714 m，如圖1所示。為提高主橋的抗震性能并滿足施工需要，主梁采用鋼-混凝土結(jié)合梁。斜拉索采用空間雙索面扇形布置。橋塔采用鋼筋混凝土A字型塔，塔高99 m，塔柱采用弧形空透隔板連接[1]。

圖1 河口大橋橋型布置圖（單位：m）

河口大橋為目前甘肅省最大跨度的斜拉橋，也是我國8度及以上地震區(qū)最大跨度斜拉橋。對于半飄浮體系斜拉橋，設(shè)置液體黏滯阻尼器是一種十分有效的消能減震措施[1]。在地震發(fā)生時，黏滯阻尼器作為一種被動消能裝置，通過使阻尼器兩端產(chǎn)生相對位移，來吸收和耗散地震以及風荷載在橋梁中產(chǎn)生的能量，同時不會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力，基于以上特點，黏滯阻尼器在國內(nèi)外的大跨度橋梁抗震控制中得到了較為廣泛的應(yīng)用[2-5]。

2 河口大橋阻尼器的設(shè)置位置和參數(shù)選擇

河口大橋位于高地震區(qū)，需采取適當?shù)臏p隔震措施來改善橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能。若要使結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位位移有效減小，結(jié)構(gòu)受力更加合理，結(jié)構(gòu)碰撞的力度減小或避免二者相撞，通過計算機仿真模擬計算，需在橋塔處設(shè)置液壓非線性黏滯阻尼器，所以該橋在每個橋塔處設(shè)置兩個阻尼器，阻尼器設(shè)置在鋼主梁和橋塔下橫梁之間，具體設(shè)置如圖2所示。

圖2 河口大橋阻尼器布置（單位：mm）

黏滯阻尼器的阻尼力通常由下式確定：

式中：C為阻尼系數(shù)，由活塞頭的面積決定；V為套筒的速度；α為速度指數(shù)，實際工程中，0.3≤α≤0.1，當α=1時，為線性黏滯阻尼器；α≠1時，為非線性黏滯阻尼器，速度較小時阻尼器具有足夠大的阻尼力，且隨速度的增大而增大，當速度足夠大時，阻尼力增加幅度變小。因此這種力-速度關(guān)系的優(yōu)點在于在速度較大時，力趨于平穩(wěn)。

本文使用數(shù)據(jù)依托為甘肅省地震局提供的地震安全性評價報告，采用分析方法為非線性時程方法，以計算機仿真模擬對組合梁斜拉橋進行地震響應(yīng)分析。由式1可知，橋梁的地震響應(yīng)結(jié)果取決于黏滯阻尼器的速度指數(shù)α和阻尼系數(shù)C兩個參數(shù)的取值，本文通過分析以上兩個參數(shù)取值不同時的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)結(jié)果，以確定一組適用于本橋的最優(yōu)參數(shù)組合。

表1 液體黏滯阻尼器參數(shù)C和 取值表

3 河口大橋液體黏滯阻尼器的參數(shù)分析

采用MIDAS Civil有限元計算程序中的黏彈性阻尼單元（Viscoelastic Damper）對阻尼單元進行模擬，比較分析橋梁關(guān)鍵位置的變形和內(nèi)力來確定黏滯阻尼器參數(shù)的合理取值。

3.1 變形響應(yīng)計算分析

圖3~圖6表示了塔頂和梁端縱向縱向位移峰值隨阻尼參數(shù)的變化規(guī)律。

圖3 塔頂縱向位移隨速度指數(shù)α的變化規(guī)律

圖4 塔頂縱向位移隨阻尼系數(shù)C的變化規(guī)律

由圖3~圖6可知，在斜拉橋主梁和橋塔間設(shè)置黏滯阻尼器后：

圖6 梁端縱向位移隨阻尼系數(shù)C的變化規(guī)律

（1）在縱向地震動作用下，斜拉橋塔頂縱向位移與不設(shè)置阻尼器相比顯著減小，梁端的縱向位移與不設(shè)置阻尼器相比也明顯減小。阻尼參數(shù)取值不同時，減震效果也不同，當阻尼系數(shù)C分別取2 000、5 000、8 000、10 000、12 000、15 000時，塔頂縱向變形響應(yīng)減小的最大百分比分別為50.7%、74.6%、77.5%、79.4%、81.3%、83%，梁端縱向變形響應(yīng)減小的最大百分比分別為46.9%、72.8%、77.4%、79.3%、80.4%、81.8%。

（2）當阻尼系數(shù)C不變時，塔頂和梁端縱向位移均隨著速度指數(shù)的增大而增大。當速度指數(shù)在0.2和0.4之間時，變形響應(yīng)變化趨于平緩，在速度指數(shù)后，變形響應(yīng)放大趨勢加快。

（3）當阻尼器速度指數(shù)不變時，塔頂和梁端縱向位移均隨著阻尼系數(shù)C的增大而減小。當阻尼系數(shù)C在2 000和8 000之間時，變形響應(yīng)衰減相對較快，在C=8 000后，衰減趨勢趨于平緩。

圖5 梁端縱向位移隨速度指數(shù)α的變化規(guī)律

3.2 內(nèi)力響應(yīng)計算分析

圖7至圖12分別為塔底彎矩、剪力和阻尼力響應(yīng)峰值隨C和的變化規(guī)律。

由圖7~圖12可以得出，在斜拉橋主梁和橋塔間設(shè)置黏滯阻尼器后：

圖7 塔底彎矩隨速度指數(shù)α的變化規(guī)律

圖12 阻尼力隨阻尼系數(shù)C的變化規(guī)律

（1）在縱向地震動作用下，斜拉橋塔底彎矩和剪力與不設(shè)置阻尼器相比均有所減少，其中彎矩減少更為明顯。阻尼參數(shù)取值不同時，減震效果也不同，當阻尼系數(shù)分別取2 000、5 000、8 000、10 000、12 000、15 000時，塔底彎矩減小的最大幅度分別為47.0%、64.9%、67.3%、68.3%、69.7%、70.0%，塔底剪力減小的最大幅度分別為20.1%、19.7%、17.9%、17.1%、16.6%、16.4%。

（2）當阻尼系數(shù)C不變時，塔底彎矩基本上隨著速度指數(shù)的增大而增大，在速度指數(shù)在0.2和0.4之間時，塔底彎矩變化較為平緩，在速度指數(shù)大于0.4后，塔底彎矩成放大趨勢；當速度指數(shù)不變時，塔底彎矩隨著阻尼系數(shù)C的增大而減小。阻尼系數(shù)C在2 000和8 000之間時，塔底彎矩衰減相對較快，在C=8 000后，衰減趨勢趨于平緩。

（3）阻尼系數(shù)C取值較小時，黏滯阻尼器可有效降低塔底剪力，但當阻尼系數(shù)較大時，反而對塔底的剪力產(chǎn)生了增大效應(yīng)，這是因為當阻尼系數(shù)增大到一定值后，阻尼力的增大效率超過由于黏滯阻尼器的耗能導致的塔底剪力的減小速率，因此塔底剪力開始隨著阻尼系數(shù)C的增大而不斷增大。

（4）當阻尼系數(shù)C不變時，阻尼力隨著速度指數(shù)的增大而減小，阻尼力的變化規(guī)律基本與速度指數(shù)成線性關(guān)系；當速度指數(shù)不變時，阻尼力隨著阻尼系數(shù)C的增大而增加。阻尼系數(shù)C在2 000和8 000之間時，阻尼力增大趨勢相對較快，在C=8 000后，阻尼力增大趨勢相對趨于平緩。

圖8 塔底彎矩隨阻尼系數(shù)C的變化規(guī)律

圖9 塔底剪力隨速度指數(shù)α的變化規(guī)律

圖10 塔底剪力隨阻尼系數(shù)C的變化規(guī)律

圖11 阻尼力隨速度指數(shù)α的變化規(guī)律

由以上分析可知，速度指數(shù)越大，結(jié)合梁關(guān)鍵部位的縱向變形及內(nèi)力也越大，阻尼器的減震效果較差，因此速度指數(shù)不宜取較大值；阻尼系數(shù)C越大，結(jié)合梁關(guān)鍵部位的縱向變形及內(nèi)力越小，阻尼器的減震效果較好，但阻尼系數(shù)過大會造成阻尼器的尺寸、噸位過大、阻尼器連接處內(nèi)力過大，經(jīng)濟性較差。綜合考慮以上因素，河口大橋阻尼器參數(shù)確定為：阻尼系數(shù)C，速度指數(shù)。此時，塔頂和梁端縱向位移峰值分別由原來的57.8 cm和59.3 cm降低至13.7 cm和15.4 cm，減小幅度分別為76.3%和74.0%；塔底的彎矩和剪力響應(yīng)峰值分別由原來的700 742 kN/m和11 952 kN降低至228 954 kN/m和9 908 kN，減小幅度分別為67.3%和17.1%。

4 結(jié) 語

（1）液體黏滯阻尼器的耗能減振效果十分明顯，在本橋主梁和橋塔間設(shè)置縱向液體粘滯阻尼器可有效降低結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的變形和內(nèi)力。

（2）結(jié)構(gòu)的減震效果取決于阻尼參數(shù)的取值，增大阻尼系數(shù)C或者減小速度指數(shù)均可以減小結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的變形響應(yīng)和地震力。阻尼器最優(yōu)的參數(shù)選擇應(yīng)該是滿足結(jié)構(gòu)較好的減震效果并盡量降低阻尼器的內(nèi)力，以降低阻尼器的制造和安裝成本。

（3）綜合考慮阻尼系數(shù)C和速度指數(shù)不同取值下結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的減震情況，河口大橋阻尼器參數(shù)經(jīng)優(yōu)選確定為：阻尼系數(shù)，速度指數(shù)。