阻尼器損傷對橋梁響應影響的參數(shù)研究

姜鵬

摘要：隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科技水平的提高，建筑結(jié)構(gòu)的設計和建造趨向超高、大跨等高難度結(jié)構(gòu)。面對更加苛刻的結(jié)構(gòu)需求，剛度和阻尼不斷降低，建筑對外部荷載的敏感性更高，這就推進了結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)的廣泛應用，以便保證結(jié)構(gòu)的安全性和舒適性。其中，黏滯阻尼器以其優(yōu)良的性能成為許多建筑控制的首選，但因為其自身構(gòu)造原因，黏滯阻尼器普遍存在漏液問題，所以，黏滯阻尼器損傷對結(jié)構(gòu)振動控制的影響是一個極具現(xiàn)實意義和研究價值的重要課題。本文建立了黏滯阻尼器計算模型，并引入非線性間隙單元用以模擬阻尼器損傷，通過與試驗結(jié)果對比，選定了模擬參數(shù)，模型對不同損傷程度的阻尼器均能有效描述其滯回性能。

關鍵詞：動力時程分析;阻尼器損傷;數(shù)值模

中圖分類號：TP3? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）17-0252-06

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本文針對黏滯阻尼器泄漏對于結(jié)構(gòu)整體響應的影響進行了參數(shù)化研究。本研究中損壞的阻尼器位置為橋塔處?？紤]不同的工況下阻尼器退化對結(jié)構(gòu)響應的影響如：裂縫長度的變化，對稱和非對稱的損傷分布和不同的地震動輸入等。

實際工程中阻尼器的損壞多為罐體泄漏，為模擬這種損傷，在模型中人為地加入裂縫。定義了一系列漸進損傷，裂縫程度分別等于裝置最大工作行程的25%、50%、75%和100%。100%損壞的阻尼器的結(jié)構(gòu)響應等于阻尼器非工作狀態(tài)（C=0和K=0）下的響應。

以北嶺地震為激勵，模擬了主塔處完全損傷阻尼器的相對位移時程，其最大位移為116mm，由圖1給出。其他損傷程度對應的最大位移分別為：30.5mm（25%），58.4mm（50%），88.9mm（75%）。

1 環(huán)境振動分析

環(huán)境振動分析以能夠產(chǎn)生與正常交通條件相同效果白噪聲為激勵。如前所述，在模擬阻尼器的響應的滯回曲線時，設備中的損傷被模擬為裂縫。為模擬不同的損傷程度，定義了四個損傷等級，分別對應裂縫長度為25%、50%、75%和100%的裝置最大行程。最大的損傷等級相當于裂縫貫穿阻尼器缸體，結(jié)構(gòu)在100%等級損傷的阻尼器控制下的響應相當于沒有阻尼器控制的結(jié)構(gòu)響應。損傷的阻尼器分為兩種，分別連接主跨和邊跨。

1.1 位移影響分析

連接主跨的阻尼器的最大相對位移為24.9mm，其他三種損傷程度依次為6.1mm（25%），12.5mm（50%）和18.8mm（75%）。同樣的，對于邊跨，阻尼器最大相對位移為95.5mm，相應的其他三種損傷程度依次為24.8（25%），47.8（50%），71.6（75%）。

為研究黏滯阻尼器損傷對于結(jié)構(gòu)位移響應的影響，在橋梁有限元模型中選取了4個典型節(jié)點進行研究，如圖2所示，它們分別為：

1. 主跨的中點，節(jié)點號為298。

2. 邊跨的中點，節(jié)點號為232，2164。

3. 橋塔頂點，節(jié)點號為11392。

數(shù)值模擬結(jié)果如表1所示。可以看出，主跨中點（298）沿橋縱向的位移受阻尼器損傷影響較大。圖3-圖5給出298節(jié)點和11392節(jié)點在不同損傷工況下的位移時程曲線。

由以上模擬結(jié)果可以看出，由于阻尼器損傷導致的結(jié)構(gòu)位移響應差異僅在跨中位置的縱橋向比較明顯。僅x方向?qū)ψ枘崞鲹p傷敏感的結(jié)果說明受阻尼器損傷影響最大的振型為第二階振型和第六階振型（圖1和圖3）。

如前所述，模擬損傷的黏滯阻尼器設置在橋塔處，分為連接主跨和邊跨兩種，分別以節(jié)點250和節(jié)點1848的位移表征其工作行程。當阻尼器發(fā)生損傷時，阻尼器行程發(fā)生明顯變化。尤其連接主跨的阻尼器，其100%損傷時的位移超過未損傷位移的兩倍;連接邊跨的阻尼器其損傷后阻尼器行程為未損傷時的120%。

1.2 阻尼器最大出力分析

分別模擬了連接主跨的阻尼器出力和兩側(cè)邊跨的阻尼器出力峰值，結(jié)果如表2及圖6-圖9所示。

結(jié)果表明，當阻尼器受到裂縫的破壞時，峰值力會更高。其原因在于，當黏滯阻尼器受到損傷，其對橋面板運動的約束降低，則阻尼器的工作變形速度會變高，出力變大。圖10精確地顯示了由于阻尼器損傷運行速度增大而產(chǎn)生阻尼力峰值的情況。

2.1 引言

為研究黏滯阻尼器泄漏對結(jié)構(gòu)在真實地震激勵下的控制效果的影響，采用1994年的Northridge波（里氏6.7級）作為激勵輸入。圖11、圖12和圖13分別給出Northridge波三個方向分量，前20秒的加速度時程。

2.2 位移影響分析

如前所述，黏滯阻尼器中的損傷建模為其滯回曲線中的缺損。為了模擬這種損傷，人為地在模型中加入了縫隙。定義了四個損傷等級，其裂縫長度分別對應阻尼器工作行程的25%、50%、75%和100%。100%損壞的阻尼器的對應的結(jié)構(gòu)響應等于無控結(jié)構(gòu)的響應。

發(fā)生損傷的阻尼器有兩種，分別將橋塔與主跨和邊跨連接起來，稱為主塔阻尼器和側(cè)塔阻尼器。

以Northridge地震波為激勵，對地震中帶損傷的主塔阻尼器的最大相對位移進行了計算，其中阻尼器的損傷程度為100%。圖16為受損黏滯阻尼器工作變形時程，其最大伸長量為116.8mm。其他損傷等級對應的最大伸長量分別為：30.5mm（25%），58.4mm（50%），88.9mm（75%）。

對側(cè)塔阻尼器進行相同的分析，100%損傷對應的最大相對位移為55.9mm，相應的，其他三種損傷等級對應的最大位移分別為15.2mm（25%），27.9mm（50%），43.2mm（75%）。

為研究黏滯阻尼器損傷對于結(jié)構(gòu)位移響應的影響，在橋梁有限元模型中選取了4個典型節(jié)點進行研究，如圖所示，它們分別為：

1. 主跨的中點，節(jié)點號為298。

2. 邊跨的中點，節(jié)點號為232，2164。

3. 橋塔頂點，節(jié)點號為11392。

數(shù)值模擬結(jié)果如表3所示。

圖17、圖18和圖19分別為x、y、z方向，各節(jié)點在不同損傷工況下峰值位移?？梢钥闯觯ㄒ皇茏枘崞鲹p傷影響較明顯的為主跨中點（298）沿橋縱向的位移受。不同損傷程度的最大位移差距達到60%。邊跨的豎向位移受損傷影響程度最大為15%。而橋塔頂端的位移幾乎不受阻尼器損傷的影響（最大差距為5%）。

圖20到圖21為跨中節(jié)點在不同損傷程度下的各方向位移時程。如圖20所示，由于阻尼器的損壞而引起的位移僅沿著縱橋方向差異顯著。另外，在側(cè)跨跨中（節(jié)點232）的豎向位移和塔頂（節(jié)點11392）的縱橋向位移中可以看到較小的差異。

2.3 阻尼器變形和出力分析

主塔阻尼器和邊塔的變形分別由節(jié)點250和節(jié)點1848位移表征，二者時程如圖25和圖26所示。由圖可見，主塔阻尼器最大損傷等級對應的位移峰值為未損傷時的4.5倍，側(cè)塔阻尼器損傷位移峰值與未損傷位移峰值之比為2。

不同損傷程度下，兩種阻尼器的最大行程如圖27和圖28所示。圖中對角線表示裂縫長度，所以數(shù)值條紅色部分代表有效工作行程，從圖中能夠看出，隨著裂縫增大，有效行程減小，即耗散能量降低。

從以上模擬結(jié)果可以看出，一個非破壞性的Northridge波對阻尼器激發(fā)比橋梁正常的交通荷載更大。然而，在Northridge波激勵下的阻尼器行程只有是17.3mm，這樣微小的變形對整個結(jié)構(gòu)的能量吸收的影響非常小?？梢?，安裝黏滯阻尼器對橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用狀態(tài)和中小地震中的響應影響不大。

在有限元模型中，阻尼力由連接阻尼單元的監(jiān)測器單元給出，分別模擬了主塔阻尼器和側(cè)塔架阻尼器兩側(cè)的阻尼力，結(jié)果如表4所示。

圖29和圖30為Northridge波激勵下，主塔阻尼器和側(cè)塔阻尼器在各個損傷等級下的出力時程。從圖中可以看出，隨著阻尼器損傷程度增加，阻尼力呈現(xiàn)先增后減的規(guī)律，與之前論述結(jié)果相符。當主塔阻尼器損傷為25%時，其出力值相比未損傷時增加一倍。

【通聯(lián)編輯：梁書】