李 智

（泗陽(yáng)縣交通產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，江蘇 宿遷 223700）

0 引言

地震是一種在短時(shí)間內(nèi)劇烈釋放能量的自然災(zāi)害，對(duì)地面建筑與橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重破壞甚至導(dǎo)致橋梁倒塌。近年來(lái)，減隔震技術(shù)便得到學(xué)者的廣泛關(guān)注，越來(lái)越多的減隔震裝置被開(kāi)發(fā)并應(yīng)用到橋梁領(lǐng)域，其中以黏滯阻尼器為主的各類(lèi)阻尼器發(fā)展最為迅速。黏滯阻尼器構(gòu)造簡(jiǎn)單，實(shí)用性廣，使用壽命長(zhǎng)[1]。目前我國(guó)有許多已建或在建的斜拉橋都成功應(yīng)用黏滯阻尼器來(lái)改善結(jié)構(gòu)抗震性能，如蘇通長(zhǎng)江大橋、東海大橋[2]等。

相關(guān)研究表明，在塔梁連接處沿縱向安裝黏滯阻尼器可以減小塔底彎矩與塔頂位移，提高抗震能力。黏滯阻尼器的減震性能與其參數(shù)取值關(guān)系密切。巫生平等[3]建立了關(guān)鍵截面參數(shù)與阻尼參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型。張文學(xué)等[4]分析了橋梁相對(duì)高度對(duì)黏滯阻尼器的最優(yōu)參數(shù)取值與減震效果影響。聶利英等[5]研究了大跨斜拉橋在大型阻尼器下的主梁縱向運(yùn)動(dòng)阻尼水平。胡可等[6-9]研究了斜拉橋在不同抗震體系下的減隔震性能。

本文以京杭運(yùn)河泗陽(yáng)桃源大橋?yàn)楸尘?，研究結(jié)構(gòu)在縱橋向無(wú)連接裝置、設(shè)置黏滯阻尼器、設(shè)置彈性索3種體系下的抗震性能，并分析不同參數(shù)對(duì)地震響應(yīng)的影響，得出本工程的合理設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)為同類(lèi)工程提供參考。

1 工程背景

1.1 項(xiàng)目概況

圖1 橋型總體布置（單位：cm）

圖2 主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面（單位:mm）

1.2 有限元模型

采用Midas Civil有限元分析軟件建立動(dòng)力分析模型，如圖3所示。主梁、主塔、橋墩和承臺(tái)均采用梁?jiǎn)卧M，斜拉索采用桁架單元模擬。主梁與斜拉索剛接，斜拉索和主塔均考慮了恒載幾何剛度，墩底節(jié)點(diǎn)與承臺(tái)頂節(jié)點(diǎn)剛接。

圖3 京杭運(yùn)河桃源大橋動(dòng)力計(jì)算模型示意圖

1.3 地震動(dòng)輸入

本文采用非線(xiàn)性時(shí)程分析法，輸入3條E2地震波，取最大結(jié)構(gòu)響應(yīng)作為計(jì)算結(jié)果。本文僅探討縱向抗震體系，因此僅考慮縱向地震動(dòng)。

2 抗震體系及參數(shù)敏感性分析

按照塔梁連接處的減隔震措施，分為3種體系：無(wú)連接裝置、設(shè)置阻尼器、設(shè)置彈性索。通過(guò)計(jì)算對(duì)比3種體系的抗震能力，分析阻尼器阻尼常數(shù)C與阻尼指數(shù)α對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。

2.1 結(jié)構(gòu)布置形式

本橋主跨385 m。主塔牛腿處橫向設(shè)置抗風(fēng)支座，兩個(gè)主塔的塔、梁相交處各設(shè)置4個(gè)縱向阻尼器/彈性索。支座與阻尼器/彈性索布置形式如圖4所示，主橋左右半跨支座布置相同。

圖4 主橋左半跨約束布置圖（單位cm）

本橋在輔助墩及過(guò)渡墩墩梁之間設(shè)置支座，其中一側(cè)為縱向單向活動(dòng)的摩擦擺支座，另一側(cè)為雙向活動(dòng)的摩擦擺支座。支座參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 摩擦擺支座參數(shù)

2.2 黏滯阻尼器與彈性索體系參數(shù)敏感性分析

在動(dòng)力計(jì)算模型中，阻尼器采用Maxwell模型模擬，彈性索采用彈簧連接單元模擬。

阻尼器的主要參數(shù)為阻尼系數(shù)C和速度指數(shù)α。其中，α常用取值為0.3~1.0。本文在進(jìn)行敏感性分析時(shí)，α取值0.3、0.4、0.5、0.6、0.8；C取值1 500 kN、3 000 kN、4 500 kN、6 000 kN。彈性索中彈簧剛度取值1 500 kN/m、3 000 kN/m、4 500 kN/m、6 000 kN/m。

橋梁結(jié)構(gòu)在地震下響應(yīng)主要包括關(guān)鍵位移與關(guān)鍵構(gòu)件的內(nèi)力?？v橋向地震作用下，結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵位移為梁端和塔頂?shù)目v向位移；關(guān)鍵構(gòu)件內(nèi)力為主塔塔底與輔助墩墩底的彎矩、剪力、軸力。

8.C 提示:由于金屬失去的電子數(shù)應(yīng)等于金屬陽(yáng)離子結(jié)合的氫氧根數(shù),則氫氧根為1.7g即0.1 mol,從而推及合金失電子為0.1NA,所以A項(xiàng)正確。再依得失電子守恒知B正確。假設(shè)全為鎂,則為0.05mol,其質(zhì)量應(yīng)為1.2g,全為鋁則為0.13mol,其質(zhì)量應(yīng)為0.9g,所以D項(xiàng)正確。而金屬完全溶解,有可能鹽酸過(guò)量,所以C項(xiàng)錯(cuò)誤。

2.2.1 位移與內(nèi)力效應(yīng)最大值

對(duì)縱橋向無(wú)連接裝置、設(shè)置黏滯阻尼器、設(shè)置彈性索3種體系，以及不同阻尼參數(shù)組合，計(jì)算橋梁關(guān)鍵部位地震響應(yīng)，結(jié)果如圖5~圖11所示。

圖5 梁端縱向位移

圖6 塔頂縱向位移

圖7 塔底彎矩

圖8 輔助墩墩底彎矩

由圖5~圖11可知：

圖11 阻尼器/彈性索軸力

（1）相比于縱橋向無(wú)連接裝置，結(jié)構(gòu)設(shè)有阻尼器時(shí)，地震下的梁端最大位移減幅10.4%~48.5%，塔底彎矩減幅15.9%~40.6%，輔助墩墩底彎矩減幅7.4%~41.2%，塔底剪力減幅-21.6%~11.9%，輔助墩墩底剪力減幅7.6%~36.0%，塔底軸力減幅1%~4%；輔助墩墩底軸力減幅1%~12%。阻尼器的設(shè)置對(duì)塔底墩底彎矩、梁端位移有明顯降低效果，不同阻尼參數(shù)下的降幅變化較大；阻尼器對(duì)塔底、墩底的剪力與軸力有一定程度降低。相比于彈性索體系，阻尼器對(duì)以上各種指標(biāo)同樣均有改善，阻尼器的設(shè)置對(duì)提高結(jié)構(gòu)抗震性能有明顯促進(jìn)作用。

圖9 塔底剪力

圖10 輔助墩墩底剪力

（2）阻尼系數(shù)C的增加有利于提高結(jié)構(gòu)抗震性能。在速度指數(shù)α不變時(shí)，隨著阻尼系數(shù)C的增加，梁端縱向位移、輔助墩墩底及主塔塔底彎矩、軸力均減小。以速度指數(shù)α=0.4為例，當(dāng)阻尼系數(shù)由1 500 kN增大至6 000 kN，梁端縱向位移減小了35.2%；塔底彎矩減小了21.5%；輔助墩墩底彎矩減小了26.8%；塔底軸力減小了2.0%；輔助墩墩底軸力減小了7.3%；塔底剪力增大了25%；阻尼器最大軸力由1 299 kN增大至4 472 kN，增大了244.2%。

（3）速度指數(shù)α的減小可提高結(jié)構(gòu)抗震性能。在阻尼指數(shù)C不變時(shí)，隨著速度指數(shù)α的減小，梁端縱向位移、輔助墩墩底及主塔塔底彎矩、軸力均減小。以阻尼指數(shù)C=3 000 kN為例，當(dāng)速度指數(shù)α由0.8減小至0.3時(shí)，梁端縱向位移減小了12.2%，塔底彎矩減小了9.1%，輔助墩墩底彎矩減小了6.1%，塔底軸力減小了2.0%，輔助墩墩底軸力減小了0.5%，塔底剪力增大了10.8%，阻尼器最大軸力增大了20.0%。

（4）彈簧剛度k的增大在一定程度上可以提高結(jié)構(gòu)抗震性能，但效果不明顯。當(dāng)k由1 500 kN/m增大至6 000 kN/m時(shí)，梁端縱向位移減小了5.5%，塔底彎矩減小了3.0%，輔助墩墩底彎矩減小了5.1%，塔底軸力減小了0.7%，輔助墩墩底軸力減小了3.4%，塔底剪力增加了10.7%，彈性索最大軸力增加了47.4%。

2.2.2 位移與內(nèi)力時(shí)程分析

為研究3種抗震體系的減震能力，根據(jù)阻尼參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震能力的影響規(guī)律，選擇阻尼系數(shù)C=6 000 kN、速度指數(shù)α=0.3的阻尼器，彈性索體系彈簧剛度k=6 000 kN/m。梁端縱向位移、結(jié)構(gòu)塔底彎矩的時(shí)程曲線(xiàn)如圖12、圖13所示。

圖12 梁端位移時(shí)程曲線(xiàn)

圖13 塔底彎矩時(shí)程曲線(xiàn)

由圖12、圖13可知，阻尼器的設(shè)置可以顯著減小梁端位移與塔底彎矩。合理的阻尼器參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能起到促進(jìn)作用。

3 減隔震效果與傳力路徑分析

為研究3種不同體系下地震力傳力路徑，分別選擇縱向無(wú)連接裝置、設(shè)置阻尼器體系（C=6 000 kN，α=0.3）、設(shè)置彈性索體系（k=6 000 kN/m），計(jì)算得到橋塔的彎矩圖如圖14~圖16所示，橋塔剪力圖如圖17~圖19所示。

圖14 縱橋向無(wú)連接裝置體系下橋塔彎矩圖（單位：kN·m）

圖15 設(shè)置阻尼器體系下橋塔彎矩圖（單位：kN·m）

圖16 彈性索體系下橋塔彎矩圖（單位：kN·m）

圖17 縱橋向無(wú)連接裝置體系下橋塔剪力圖（單位：kN）

圖18 設(shè)置阻尼器體系下橋塔剪力圖（單位：kN）

圖19 彈性索體系下橋塔剪力圖（單位：kN）

由圖14~圖19可知：

（1）地震力的傳力路徑為：縱橋向無(wú)連接裝置時(shí)，主梁縱橋向地震力主要分為兩部分，一部分通過(guò)斜拉索傳遞至橋塔上塔柱，由上塔柱向塔底傳遞；另一部分通過(guò)輔助墩與主梁連接支座向下傳遞。計(jì)算結(jié)果表明，傳至輔助墩的縱向地震力僅為通過(guò)斜拉索傳至主塔地震力的10%左右。在安裝阻尼器或彈性索的體系中，縱向地震力除上述傳力路徑外，同時(shí)直接通過(guò)主梁直接傳至主塔。

（2）在縱橋向無(wú)連接裝置的體系中，主塔彎矩由上至下近似線(xiàn)性增加，剪力變化不明顯。大跨斜拉橋的橋塔往往較高，較大的傳力力臂導(dǎo)致下塔柱彎矩較大。在彈性索體系中，彈性索將一部分主梁的慣性力直接作用于上下塔柱之間，剪力圖中出現(xiàn)塔梁處的剪力突變，通過(guò)減小彎矩計(jì)算時(shí)力臂來(lái)降低下塔柱彎矩與剪力。在安裝阻尼器體系中，除了減小力臂外，黏滯阻尼器還可通過(guò)自身的減震耗能作用降低傳遞至上下塔柱間的地震力，進(jìn)一步降低下塔柱彎矩，提高抗震安全性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)比了一座主跨385 m的斜拉橋在縱橋向無(wú)連接裝置、設(shè)置黏滯阻尼器、設(shè)置彈性索3種體系下的抗震能力，分析了不同參數(shù)下橋梁關(guān)鍵部位的地震響應(yīng)變化，研究了不同體系下的地震力傳力路徑，得到以下4點(diǎn)結(jié)論：

（1）相比于無(wú)阻尼體系和彈性索體系，黏滯阻尼器的設(shè)置可以有效提高結(jié)構(gòu)抗震能力，特別是在減小關(guān)鍵部位位移與塔底、墩底彎矩方面，效果顯著。

（2）黏滯阻尼器參數(shù)的取值對(duì)結(jié)構(gòu)減震能力影響較大。在合理的參數(shù)范圍內(nèi)，隨著阻尼系數(shù)C的增加，梁端及塔頂縱向位移、輔助墩墩底及主塔塔底的彎矩、軸力減小，阻尼器的阻尼力增大，結(jié)構(gòu)抗震性能提高。

（3）減小速度指數(shù)α可提高結(jié)構(gòu)抗震性能，α越小，關(guān)鍵部位內(nèi)力位移下降越明顯，但α過(guò)小將會(huì)影響阻尼器可靠性，建議計(jì)算取值范圍為0.3~1.0。

（4）雖然較大的阻尼系數(shù)C有利于提高結(jié)構(gòu)減震性能，但大型阻尼器布置不便，且過(guò)大阻尼力對(duì)橋塔有不利影響。在同類(lèi)工程中，建議沿橫橋向設(shè)置多個(gè)小型阻尼器，在參數(shù)合理范圍內(nèi)選擇較大阻尼常數(shù)C并配置較小速度指數(shù)α。