高低塔懸索橋阻尼器減震性能振動臺試驗(yàn)研究

高文軍，鄭萬山，黃福偉，唐光武

(1.橋梁工程結(jié)構(gòu)動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400067； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶 400067)

為提高大跨度懸索橋縱向抗震性能，國外內(nèi)多數(shù)大跨度懸索橋均在塔梁連接處設(shè)置了粘滯阻尼器，如江蘇江陰長江大橋、浙江西堠門跨海大橋、重慶鵝公巖長江大橋等，對阻尼器的選型、減震性能和最優(yōu)參數(shù)都進(jìn)行了專門研究[1-3]，同時對粘滯阻尼器進(jìn)行了原型性能測試[4]。近幾十年來，隨著振動臺試驗(yàn)技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者利用振動臺試驗(yàn)對梁式橋[5-7]、大跨度的鋼桁架拱橋[8]、斜拉橋[9-12]和懸索橋[13-14]進(jìn)行了抗震及減震性能研究。唐光武[8]等完成了朝天門大橋振動臺試驗(yàn)，結(jié)果表明在彈性狀態(tài)下，只要主要參數(shù)滿足相似理論要求，振動臺試驗(yàn)?zāi)軌蛉〉昧己玫脑囼?yàn)結(jié)果。LI J、郭葳等[10-11]依托一座千米級斜拉橋，完成了振動臺試驗(yàn)，結(jié)果表明粘滯阻尼器有明顯的減震作用，但是輸入地震動的特性會影響粘滯阻尼器的減震效果。閆聚考[13]通過振動臺試驗(yàn)研究了行波效應(yīng)對大跨多塔連跨懸索結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。目前，對高低索塔千米級懸索橋縱向地震作用下減震裝置性能的振動臺試驗(yàn)研究較少。

因此，依托云南龍江特大橋制作了1∶60的有機(jī)玻璃試驗(yàn)?zāi)Ｐ停谒哼B接處設(shè)置磁流變阻尼器模擬原橋的粘滯阻尼器，完成了設(shè)計地震動下的全橋振動臺試驗(yàn)，通過試驗(yàn)結(jié)果分析阻尼器的減震性能。

1 振動臺模型設(shè)計

1.1 橋梁概況

云南龍江大橋?yàn)橹骺? 196 m 的單跨懸索橋，主纜矢跨比為 1/10.5，主纜分跨為(320+1 196+320)m，主纜橫橋向中心間距為 25.5 m，吊索順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距為 12.4 m。上部結(jié)構(gòu)采用扁平流線形鋼箱梁，如圖1所示。塔柱為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，高塔塔高169.688 m，設(shè)上下2道橫梁，低塔塔高129.703 m，僅設(shè)1道上橫梁，橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，索塔立面如圖2所示。全橋采用簡支結(jié)構(gòu)體系，鋼箱梁約束情況為在東岸索塔和西岸索塔各設(shè)1對豎向支座、1對橫向抗風(fēng)支座和4套縱向粘滯阻尼器，其中高塔約束裝置設(shè)置在下橫梁，低塔設(shè)置在承臺之間的系梁上。

單位：cm

1.2 模型相似比

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件以及動力模型相似關(guān)系，模型長度相似比取1∶60，將鋼結(jié)構(gòu)部分換算為混凝土結(jié)構(gòu)。模型主梁和索塔的模型材料采用有機(jī)玻璃，其彈性模量為2.67×109N/m2，密度為1.18 g/cm3，嚴(yán)格按照相似比進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)置，主纜和吊索采用鋼絲繩，材料彈性模量比接近1，完全按相似比設(shè)計索結(jié)構(gòu)的配重很大，原橋索結(jié)構(gòu)的質(zhì)量占比較小且索結(jié)構(gòu)主要影響大橋的幾何剛度，因此試驗(yàn)?zāi)Ｐ退骼|結(jié)構(gòu)不考慮配重。根據(jù)前期計算結(jié)果，大橋在E2地震作用下處于彈性狀態(tài)，因此采用了半配重，即加速度相似比為0.5，結(jié)合長度相似比和模型材料的彈性模量可計算得到試驗(yàn)?zāi)Ｐ透髦饕锢砹肯嗨票龋绫?所示。試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂傮w布置如圖3所示，試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼掌鐖D4所示，其中矮塔基礎(chǔ)采用混凝土底座模擬。為研究阻尼器的減震性能，設(shè)計了2種試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，分別為無阻尼器試驗(yàn)?zāi)Ｐ?簡稱普通模型)和有阻尼器試驗(yàn)?zāi)Ｐ?簡稱減震模型)，其中減震模型在兩側(cè)塔梁處分別設(shè)置了1個阻尼器，其余結(jié)構(gòu)與普通模型一致。

表1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ透髦饕锢砹肯嗨瞥?shù)

單位：cm

圖4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼掌?/p>

1.3 試驗(yàn)阻尼器的選擇和參數(shù)

原橋每個索塔橫梁處設(shè)置4個粘滯阻尼器，共8個，單個阻尼器阻尼系數(shù)C=2 500 kN/(m/s)α，速度指數(shù)α=0.3。根據(jù)模型相似比，試驗(yàn)?zāi)Ｐ兔總€塔僅設(shè)置1個試驗(yàn)阻尼器，因此試驗(yàn)阻尼器阻尼系數(shù)C試驗(yàn)=2 500×4/2.84×104= 352 N(m/s)0.3。根據(jù)試驗(yàn)阻尼器性能要求，本次試驗(yàn)采用美國LORD磁流變阻尼器(RD-1005-3)進(jìn)行模擬。根據(jù)趙云武[15]研究成果，該型號MR阻尼器在電壓為0 V，加載頻率0.8 Hz～1.6 Hz，加載幅值10 mm～15 mm時，其速度-阻尼力曲線如圖5所示。由圖5可知，采用磁流變阻尼器其性能曲線略大于理想阻尼器曲線，速度小于10 mm/s時誤差較大，大于10 mm/s后，誤差在15%以內(nèi)。MR阻尼器安裝照片如圖6所示。

圖5 阻尼器速度-阻尼力曲線對比

圖6 MR阻尼器安裝照片

2 試驗(yàn)工況和測試內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)工況

阻尼器減震性能試驗(yàn)采用設(shè)計地震作用下1組E1地震波和2組E2地震波，原地震波時長20 s，根據(jù)相似比試驗(yàn)地震波持時約2 s。試驗(yàn)中分別對普通模型和減震模型下進(jìn)行縱向+豎向的一致地震激勵試驗(yàn)。為方便標(biāo)記，E201表示E2地震第1組人工波，x表示縱橋向，y表示橫橋向，z表示豎向。

2.2 測試內(nèi)容

根據(jù)試驗(yàn)的目的和橋梁體系的受力特點(diǎn)，試驗(yàn)主要測試索塔塔頂縱向位移和塔梁縱向相對位移，以及索塔受力關(guān)鍵截面的應(yīng)變。索塔測試截面和應(yīng)變測點(diǎn)布置如圖7所示，其中高塔3個截面，低塔2個截面，每個截面布置4個應(yīng)變測點(diǎn)，通過地震作用下應(yīng)變結(jié)果計算得到該測試截面的彎矩。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 塔柱彎矩

根據(jù)各截面應(yīng)變測點(diǎn)結(jié)果計算得到截面彎矩，

如表2所示。由表2可知，減震模型索塔大部分測試截面彎矩都有所減小。其中在E101xz作用下，高塔塔底截面彎矩減小了16%，上塔柱截面彎矩減小了16%；低塔塔底截面彎矩減小了1%，塔柱上部截面彎矩減小了12%。在E201xz作用下，高塔塔底彎矩減小了15%，上塔柱截面彎矩減小了12%；低塔塔底截面彎矩增大約4%，塔柱上部截面彎矩增大了3%。在E202xz作用下，高塔塔底截面彎矩減小了8%，上塔柱截面彎矩減小了8%；低塔塔底截面彎矩增大約2%，塔柱上部截面彎矩減小了12%。從表2試驗(yàn)結(jié)果看到，縱向地震作用下阻尼器對高塔塔身內(nèi)力有減小作用，效果良好，而對于低塔，塔底截面彎矩有增大也有減小，影響較小。

3.2 結(jié)構(gòu)位移

3組地震作用下結(jié)構(gòu)最大位移如表3所示。由表3可見，阻尼器對不同結(jié)構(gòu)部位的影響不一致。

表2 索塔測試截面彎矩對比 N/m

阻尼器對高塔塔頂位移影響較小，甚至有增大作用，對低塔塔頂位移和塔梁相對位移則有明顯減小作用，且在E2地震作用下，低塔塔頂位移要大于高塔。阻尼器對高塔塔頂縱向最大位移有增大也有減小作用，在E101xz作用下增大了50%，在E201xz作用下減小了26%，在E202xz作用下增大了13%；低塔塔頂在E101xz、E201xz和E202xz作用下分別減小了39%、12%和57%；塔梁相對位移在E101xz、E201xz和E202xz作用下分別減小了37%、38%和35%。從試驗(yàn)結(jié)果看到，縱向地震作用下阻尼器對高塔塔頂?shù)奈灰朴绊懪c地震動輸入關(guān)系較大，而阻尼器對低塔塔頂位移和塔梁相對位移有良好的減震效果，且對塔梁相對位移的影響比較穩(wěn)定，各工況下位移減小量在30%～40%之間。地震作用(2 s)和震后(約6 s)的位移時程結(jié)果如圖8～圖10所示。由圖8～圖10可見，阻尼器對高塔塔頂位移的減震效果與輸入地震波有關(guān)，震后位移與無阻尼器結(jié)果基本一致；低塔頂位移幅值有較明顯的減小，震后位移衰減較慢，位移結(jié)果沒有明顯差別；阻尼器對塔梁相對位移的減震效果最為顯著，地震作用中明顯抑制了塔梁相對位移，位移幅值大幅下降，且震后位移衰減很快。

表3 地震作用下最大位移 mm

4 結(jié)論

1) 縱向地震作用下阻尼器對高塔塔身內(nèi)力有減小作用，但減震幅度較?。蛔枘崞鲗Π捉孛鎻澗赜性龃笠灿袦p小，影響較小?？傮w上阻尼器對索塔內(nèi)力影響較小。

2) 縱向地震作用下阻尼器對高塔塔頂位移影響較小，甚至有增大作用，塔頂位移與地震動輸入關(guān)系較大，而阻尼器對矮塔塔頂位移有明顯的減小作用。阻尼器對高低索塔懸索橋塔頂位移的影響不一致。

3) 阻尼器對塔梁相對位移的影響顯著且穩(wěn)定，各工況下最大位移減小量均在30%～40%之間，地震作用中阻尼器明顯抑制了塔梁相對位移，且位移幅值大幅下降，震后位移衰減很快。