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        黏滯阻尼器對(duì)鐵路自復(fù)位橋墩地震響應(yīng)的影響

        2023-10-18 06:45:50張恒夏修身張旭東喬鑫祝浩然
        鐵道建筑 2023年9期
        關(guān)鍵詞:模型

        張恒 夏修身 張旭東 喬鑫 祝浩然

        蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 蘭州 730070

        自復(fù)位橋墩采取分離設(shè)計(jì)橋墩和基礎(chǔ)的思想。強(qiáng)地震作用下利用提離搖擺進(jìn)行隔震,震后利用自重實(shí)現(xiàn)復(fù)位。Housner[1]最早提出弱化結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)連接的思想,使結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下產(chǎn)生搖擺現(xiàn)象,從而避免破壞。Palermo 等[2-3]將殘余位移作為抗震的性能指標(biāo),對(duì)自復(fù)位結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線(xiàn)性時(shí)程分析,發(fā)現(xiàn)在較小殘余位移的情況下,自復(fù)位結(jié)構(gòu)體系依然具有較高的承載力。何銘華等[4]基于性能的設(shè)計(jì)理念,設(shè)計(jì)了一種自復(fù)位橋梁墩柱節(jié)點(diǎn)新體系,此體系設(shè)計(jì)應(yīng)用靈活,實(shí)用性更強(qiáng),震后殘余變形小。夏修身等[5-6]給出了樁基礎(chǔ)鐵路高墩搖擺隔震的Winkler 彈簧模型,并提出了兩彈簧模型、考慮限位的三彈簧模型,以及提離彈簧剛度的取值辦法。史軍[7]設(shè)計(jì)制定了一組帶犧牲部件的自復(fù)位橋墩模型進(jìn)行擬靜力試驗(yàn),并與OpenSees 分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明,犧牲部件起到了一定的耗能作用,且有限元結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。李帆等[8]研究發(fā)現(xiàn)外置分階段耗能阻尼器的自復(fù)位橋墩比內(nèi)置耗能鋼筋的水平承載力更高,提高了橋墩的抗震性能。申彥利等[9]研究發(fā)現(xiàn)在裝配式自復(fù)位橋墩外部設(shè)置軟鋼阻尼器表現(xiàn)出了良好的自復(fù)位能力、承載力和耗能能力,但此結(jié)構(gòu)在內(nèi)部設(shè)置了耗能鋼筋,弱化了阻尼器的作用,也沒(méi)有分析阻尼器對(duì)橋墩地震反應(yīng)的影響。

        黏滯阻尼器是速度型阻尼器,流動(dòng)速度越大,產(chǎn)生的阻尼力越大,耗散的地震能力越大,大地震時(shí)可以保持穩(wěn)定的性能,但關(guān)于橋墩底部設(shè)置黏滯阻尼器的文獻(xiàn)鮮有涉及。本文提出一種外設(shè)黏滯阻尼器的自復(fù)位橋墩,基于OpenSees 平臺(tái)建立自復(fù)位橋墩模型,討論阻尼器參數(shù)對(duì)自復(fù)位橋墩墩頂位移和墩底彎矩的影響,并與無(wú)阻尼器自復(fù)位橋墩進(jìn)行對(duì)比分析。

        1 工程概況及有限元模型

        1.1 工程概況

        跨度32 m單線(xiàn)鐵路簡(jiǎn)支箱梁橋[圖1(a)],橋梁下部結(jié)構(gòu)為空心圓端形橋墩,群樁基礎(chǔ),承臺(tái)尺寸12.7 m ×14.5 m × 3.0 m。為研究黏滯阻尼器對(duì)橋墩的影響,對(duì)18#墩進(jìn)行再設(shè)計(jì),使之成為自復(fù)位橋墩,詳細(xì)的設(shè)計(jì)過(guò)程及參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。將黏滯阻尼器對(duì)稱(chēng)布置在墩底兩側(cè)[圖1(b)],每側(cè)豎向布置5個(gè),橋墩與原橋墩其余參數(shù)保持一致。

        1.2 有限元模型

        外設(shè)黏滯阻尼器的自復(fù)位橋墩有限元模型如圖2所示。墩柱、橋跨質(zhì)量和橋墩的提離采用文獻(xiàn)[11]中的模擬方法。采用element elastic beam 模擬墩柱,剛臂單元模擬墩底擴(kuò)大基礎(chǔ)。剛臂剛度為單元最大剛度的100 倍。采用只受壓彈簧模擬橋墩的提離,提離彈簧采用element zero length 模擬,材料本構(gòu)關(guān)系采用彈性只受壓材料uniaxial materialENT。根據(jù)文獻(xiàn)[12],墩底提離彈簧剛度(k)取2.1 × 108kN/m。黏滯阻尼器采用Maxwell 模型進(jìn)行模擬[13],在Maxwell 模型中需要定義三個(gè)參數(shù),分別為阻尼器阻尼系數(shù)(C)、速度指數(shù)(α)及線(xiàn)性剛度(K)。K取值較大[14],通常取C的100 ~ 10 000 倍,本文K= 1.0 × 106kN/m。C與α的具體取值在下文進(jìn)行討論。黏滯阻尼器單元選用element two node link單元模擬。

        圖2 外設(shè)黏滯阻尼器的自復(fù)位橋墩分析模型

        從美國(guó)太平洋地震研究中心選取3 條近斷層地震波,分別為1989 年Loma Prieta 地震波,1992 年Landers 地震波和1994 年Northridge 地震波,見(jiàn)表1。為了模擬8 度罕遇地震,將3 條地震波的幅值統(tǒng)一調(diào)整為0.57g。

        表1 地震動(dòng)輸入

        2 阻尼器參數(shù)對(duì)地震反應(yīng)的影響

        C和α的取值不同,阻尼器對(duì)橋墩的影響也不同。因此,黏滯阻尼器參數(shù)的合理選取對(duì)結(jié)構(gòu)減震效果影響很大。從抗震角度來(lái)看,C的常用范圍為1 000 ~5 000 kN(s/m)α,α的常用范圍為0.2 ~ 1.0。為討論阻尼器力學(xué)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響,對(duì)α= 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0,C=1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 kN(s/m)α,共計(jì)25 種阻尼器參數(shù)組合進(jìn)行非線(xiàn)性時(shí)程分析。墩頂最大水平位移和墩底最大彎矩隨阻尼器參數(shù)變化曲線(xiàn)分別見(jiàn)圖3 和圖4??芍孩僭贚anders 地震波作用下,當(dāng)α一定時(shí),墩頂位移隨C的增大而降低;當(dāng)α= 0.2,C> 4 000 kN(s/m)α?xí)r,墩頂位移會(huì)出現(xiàn)上升的趨勢(shì)。當(dāng)C一定時(shí),墩頂位移隨α的增大而增大,這是因?yàn)樽枘崞鞯淖枘崃﹄Sα的增大而減小。②當(dāng)C> 2 000 kN(s/m)α,α≤ 0.6時(shí),墩底彎矩隨C的增大出現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì);當(dāng)α> 0.6時(shí),墩底最大彎矩隨C的增大整體呈減小趨勢(shì)。當(dāng)C一定時(shí),墩底最大彎矩隨α的變化比較復(fù)雜。Loma Prieta 和Northridge地震波作用下也有相似的變化規(guī)律。

        圖3 墩頂最大水平位移隨阻尼器參數(shù)變化曲線(xiàn)

        圖4 墩底最大彎矩隨阻尼器參數(shù)變化曲線(xiàn)

        綜上,不同阻尼系數(shù)與速度指數(shù)下墩頂最大位移與墩底最大彎矩的變化趨勢(shì)不同,當(dāng)α為0.2,C為2 000 kN(s/m)α?xí)r,墩頂位移與墩底彎矩綜合減震效果較優(yōu)。

        3 有無(wú)阻尼器結(jié)果對(duì)比

        為了深入研究墩底外設(shè)黏滯阻尼器自復(fù)位橋墩的地震反應(yīng),分析無(wú)阻尼器自復(fù)位橋墩(工況1)、有阻尼器自復(fù)位橋墩(工況2)的地震反應(yīng)。α取0.2,C=2 000 kN(s/m)α,輸入Landers波時(shí)橋墩時(shí)程曲線(xiàn)如圖5所示??芍孩偾?0 s 內(nèi)墩頂位移達(dá)到最大值,且工況2 小于工況1,這說(shuō)明阻尼器起到了耗能作用,35 s后工況2的墩頂位移大于工況1,其他時(shí)間段二者基本吻合。②橋墩的豎向提離主要集中在10 ~ 15 s 和25 ~35 s,10 s 時(shí)出現(xiàn)最大提離位移;與無(wú)阻尼器自復(fù)位橋墩相比,阻尼器減小了最大提離位移和提離次數(shù)。③25 ~ 35 s時(shí)阻尼器減小了墩底彎矩;35 s 后工況2 墩底彎矩大于工況1,這可能是35 s 后阻尼器失去耗能作用導(dǎo)致墩底剛度增大所致;其他時(shí)間段內(nèi)兩種工況基本吻合。

        圖5 橋墩時(shí)程曲線(xiàn)

        兩種計(jì)算模型下墩頂最大水平位移、豎向最大提離位移以及墩底最大彎矩見(jiàn)表2??芍鹤枘崞髂軌驕p小自復(fù)位橋墩的墩頂最大位移、豎向最大提離位移以及墩底最大彎矩;在Landers 波作用下,墩頂最大位移和豎向最大提離位移減小效果最佳,降幅分別達(dá)到24.4%和33.8%;在Loma Prieta 波作用下,墩底最大彎矩減小效果最佳,降幅達(dá)到6.3%。

        表2 兩種計(jì)算模型下地震反應(yīng)分析

        黏滯阻尼器滯回曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。可知:黏滯阻尼器的滯回曲線(xiàn)近似呈半橢圓形,這是因?yàn)樽枘崞鞑贾迷诙盏谉o(wú)法出現(xiàn)負(fù)向位移;滯回曲線(xiàn)面積較為飽滿(mǎn),說(shuō)明黏滯阻尼器發(fā)揮了主要的減震作用,且耗能能力明顯。

        4 結(jié)論

        1)當(dāng)速度指數(shù)(α)一定時(shí),墩頂最大位移隨阻尼系數(shù)(C)的增大整體呈降低趨勢(shì);當(dāng)C一定時(shí),墩頂最大位移隨α的增大而增大。

        2)當(dāng)α≤ 0.6 時(shí),墩底最大彎矩隨C的增大總體呈增加趨勢(shì);當(dāng)α> 0.6 時(shí),墩底最大彎矩隨C的增大出現(xiàn)降低趨勢(shì)。當(dāng)C一定時(shí),墩底最大彎矩隨α變化較為復(fù)雜。

        3)對(duì)鐵路自復(fù)位橋墩而言,α為0.2,C為2 000 kN(s/m)α最優(yōu)。在近斷層地震波作用下,與無(wú)阻尼自復(fù)位橋墩相比,本文阻尼器能夠有效減小自復(fù)位橋墩的墩頂最大位移、墩底最大彎矩以及最大豎向提離位移。

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