大跨度提籃拱橋阻尼器選型研究

米孝生，蔣相坤

（1.廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院,廣東廣州 510100；2.中交南沙投資發(fā)展有限公司，廣東廣州 510010）

0 引言

近年來國內(nèi)外學(xué)者提出在橋梁結(jié)構(gòu)中設(shè)置阻尼器來改善結(jié)構(gòu)的抗震性能,其中,應(yīng)用較為成熟且適用于大跨度橋梁的主要是流體阻尼器,通過對結(jié)構(gòu)提供額外的耗散地震輸入能量的能力來減小地震反應(yīng)[1]。本文基于流體粘滯阻尼器的力學(xué)特性,以廣州南沙鳳凰三橋?yàn)楣こ瘫尘?從地震響應(yīng)控制的原理出發(fā),優(yōu)化阻尼器的參數(shù)[2],以期得到該橋減震控制的最優(yōu)方案。

1 工程概況及計(jì)算模型

廣州市南沙區(qū)鳳凰三橋跨越下橫瀝水道，主橋全長510 m，為40 m+61 m+308 m+61 m+40 m中承式無推力鋼箱系桿拱橋，橋面為正交異性板鋼梁。主橋由樁基、承臺及墩身，主墩三角剛架、拱肋、箱梁、索結(jié)構(gòu)等組成。主拱為提籃式鋼箱拱，跨度308 m（含三角鋼架前斜腿，鋼拱段跨度249.5 m），矢高68.44 m（含三角鋼架前斜腿），主拱矢跨比為1/4.5，拱軸線采用m=1.25的懸鏈線，主拱肋按1/5角度內(nèi)傾，拱頂處拱肋間距為19.1 m。拱肋箱型截面尺寸由鋼箱拱假想起點(diǎn)3.0 m×6.0 m均勻漸變至拱頂點(diǎn)的3.0 m×3.8 m，頂?shù)装搴裨?4～32 mm之間變化，腹板厚在32～24 mm之間變化。兩片拱肋通過9道鋼箱橫撐連為一體。鋼混結(jié)合段分為鋼結(jié)構(gòu)剛度過渡段及鋼包混凝土段，兩段以60 mm厚承壓鋼板為分界。

有限元模型中，對于墩、梁間的連接，除過渡墩與主梁固結(jié)、輔助墩與主梁支座連接外，其他均是縱橋向相對自由，橫橋向和豎橋向設(shè)支座彈簧單元。在中跨與邊跨主梁間設(shè)阻尼器單元，每側(cè)梁端各4個，全橋設(shè)8個。引橋在主橋兩端均分別設(shè)有單獨(dú)的橋墩支撐，建模時忽略其對主橋動力特性的影響，主橋動力有限元模型如圖1所示。

圖1 橋梁動力模型

2 結(jié)構(gòu)動力特性及地震輸入

根據(jù)該橋橋區(qū)的地震環(huán)境及《鳳凰三橋工程場地地震安全性評估報(bào)告》給出的相應(yīng)概率水平下的地震動參數(shù),考慮到該橋是公路主要干線上的特大橋梁,確定鳳凰三橋的抗震設(shè)防目標(biāo)為：E1地震作用下不發(fā)生損傷，E2地震作用下可產(chǎn)生有限損傷，但地震后應(yīng)能立即維持正常交通通行，簡單概括為“中震不壞”，“大震有限損傷”。結(jié)合鳳凰三橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和各構(gòu)件的重要性，設(shè)防目標(biāo)具體體現(xiàn)為：E1地震作用下，要求主橋主拱、主墩、邊墩、三角剛架、樁基完好無損；E2地震作用下，要求主橋主拱完好無損，主墩、邊墩、三角剛架、樁基有限損傷。最終確定鳳凰三橋的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)如下：E1地震對應(yīng)的地震動重現(xiàn)期為475 a，相應(yīng)的概率水準(zhǔn)為50 a超越概率10%；E2地震對應(yīng)的地震動重現(xiàn)期為2 000 a，相應(yīng)的概率水準(zhǔn)為50 a超越概率2.5%。

采用《安評報(bào)告》提供的7組50 a超越概率0.25%水平下的人工地震波來進(jìn)行地震反應(yīng)分析,由這7組地震波作用下結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位響應(yīng)的平均值來確定粘滯阻尼器的合理參數(shù)。地震波沿水平向和豎向輸入,豎向加速度取水平向加速度的0.65,圖2為其中1條水平向地震波加速度時程。

圖2 水平向地震加速度時程

根據(jù)上述動力計(jì)算模型,表1給出了結(jié)構(gòu)在不設(shè)阻尼器下的典型自振特性。從表1可以看出,結(jié)構(gòu)的第1階振型為主梁的縱飄,過大的縱向位移可能導(dǎo)致鋼梁與橫梁相互碰撞,造成地震中結(jié)構(gòu)的損壞。針對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的特點(diǎn),通過比選,確定了沿縱向設(shè)置粘滯阻尼器的解決方案。

表1 結(jié)構(gòu)動力特性

3 地震力時程分析

3.1 粘滯阻尼器參數(shù)敏感性分析

阻尼器采用非線性阻尼器，阻尼力與相對速度關(guān)系可表示為：F＝CVα，其中F為阻尼力，C是阻尼系數(shù)，V是速度，α是指數(shù)。粘滯阻尼器阻尼系數(shù)、阻尼指數(shù)選取的不同，阻尼器對結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)影響也不一樣[3,4]。因此，需對結(jié)構(gòu)引入阻尼器的情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，主要考慮對阻尼系數(shù)C與阻尼指數(shù)α進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，分析這些參數(shù)變化對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，為粘滯阻尼器設(shè)計(jì)參數(shù)的確定提供依據(jù)。阻尼指數(shù)α的取值范圍為0.1～0.9，阻尼常數(shù)的取值范圍為1 000～9 000。

通過非線性時程分析，對設(shè)置不同參數(shù)的粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了主跨結(jié)構(gòu)梁端位移、粘滯阻尼器的阻尼力及粘滯阻尼器變形的分析比較。圖3～圖5為不同粘滯阻尼器參數(shù)對結(jié)構(gòu)梁端位移、粘滯阻尼器阻尼力及變形的影響。

圖3 梁端位移與阻尼參數(shù)關(guān)系

圖4 粘滯阻尼器變形與阻尼參數(shù)關(guān)系

圖5 粘滯阻尼器阻尼力與阻尼參數(shù)關(guān)系

從以上圖中可以看出，梁端位移及粘滯阻尼器變形隨著阻尼系數(shù)C的增大而減小，隨著阻尼指數(shù)α的增大而增大；粘滯阻尼器的阻尼力隨著阻尼系數(shù)C的增大而增大，隨著阻尼指數(shù)α的增大而減小。經(jīng)分析對比最終確定，該橋的粘滯阻尼器阻尼系數(shù)C取5 000～7 000，阻尼指數(shù)取0.5～0.8。鳳凰三橋最終阻尼器選型，取阻尼系數(shù)6 100，阻尼指數(shù)為0.6。

3.2 E2地震作用下橋梁動力時程分析

7條地震波作用下拱橋相關(guān)參數(shù)的最大響應(yīng)平均值見表2。

表2 7條地震波作用下拱橋相關(guān)參數(shù)的最大響應(yīng)平均值

左、右拱肋部分粘滯阻尼器滯回曲線如圖6、圖7。

圖6 左拱肋粘滯阻尼器滯回曲線

圖7 右拱肋粘滯阻尼器滯回曲線

通過地震計(jì)算分析以及粘滯阻尼器參數(shù)優(yōu)化，控制粘滯阻尼器的阻尼力為3 400 kN，最大變形量為15 cm。結(jié)合橋梁的實(shí)際情況，最終確定較合適的粘滯阻尼器型號參數(shù)見表3（拱橋每側(cè)安裝兩個相同型號的粘滯阻尼器）[5]。

表3 粘滯阻尼器合理參數(shù)

考慮到溫度位移±39 mm，風(fēng)振位移及一定安全余量，最終選取阻尼器型號的參數(shù)見表4。

表4 粘滯阻尼器最終選型參數(shù)

梁端支座采用擺式摩擦支座作為支撐體系，其變形能力根據(jù)需要設(shè)計(jì)，具備良好的自恢復(fù)能力。

4 結(jié)語

本文以大跨度提籃拱橋縱向設(shè)置粘滯阻尼器為例，進(jìn)行了非線性時程計(jì)算分析，通過分析比較，得出以下結(jié)論：

（1）在主梁與前橫梁間設(shè)置縱向粘滯阻尼器可以有效地減小大跨度橋梁關(guān)鍵部位的位移,同時適當(dāng)改善了結(jié)構(gòu)的受力,避免或減輕了前橫梁與主橋主梁碰撞可能引起的結(jié)構(gòu)損壞,減震效果取決于阻尼系數(shù)C和指數(shù)ξ的取值。

（2）對大跨度提籃拱橋粘滯阻尼器阻尼參數(shù)選取的原則是首先控制梁端位移，其次是減少結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

[1]王浩，李愛群，郭彤.超大跨懸索橋地震響應(yīng)的綜合最優(yōu)控制研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006，33（3）：6-10.

[2]王志強(qiáng),胡世德,范立礎(chǔ).東海大橋粘滯阻尼器參數(shù)分析[J].中國公路學(xué)報(bào),2005，18(3)：37-42.

[3]徐秀麗,劉偉慶,李龍安,等.斜拉橋結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)優(yōu)化研究[J].地震工程與工程振動,2006，26(2)：119-124.

[4]吳斌暄,王磊,王岐峰.使用非線性粘滯阻尼器的橋梁在地震反應(yīng)中的響應(yīng)分析[J].公路交通科技，2007，24(10)：76-80.

[5]葉愛君,胡世德,范立礎(chǔ).超大跨度斜拉橋的地震位移控制[J].土木工程學(xué)報(bào),2004，37(12)：38-43.