河口大橋液體黏滯阻尼器參數(shù)分析

曾志剛

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

1 工程概況

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新及各種各種行業(yè)學(xué)術(shù)理論的進(jìn)步，我國的交通事業(yè)得到了快速發(fā)展。特別是近年來，我國修建了許多位于世界技術(shù)前沿的大跨特殊橋梁結(jié)構(gòu)。隨著結(jié)構(gòu)在跨度和高度上的突破，抗震問題也成為橋梁工程理論研究和設(shè)計施工人員需要面對的重點(diǎn)及難點(diǎn)。為跨越黃河河口水庫而建設(shè)的河口大橋是蘭州（新城）至永靖沿黃河快速通道的重點(diǎn)控制性工程。大橋主橋?yàn)殡p塔雙索面結(jié)合梁斜拉橋，主跨跨徑360 m，邊跨跨徑177 m，主塔高99 m；兩邊跨各設(shè)置一個輔助墩，主橋孔跨布置為77 m+100 m+360 m+100 m+77 m，主橋全長714 m，如圖1所示。為提高主橋的抗震性能并滿足施工需要，主梁采用鋼-混凝土結(jié)合梁。斜拉索采用空間雙索面扇形布置。橋塔采用鋼筋混凝土A字型塔，塔高99 m，塔柱采用弧形空透隔板連接[1]。

圖1 河口大橋橋型布置圖（單位：m）

河口大橋?yàn)槟壳案拭C省最大跨度的斜拉橋，也是我國8度及以上地震區(qū)最大跨度斜拉橋。對于半飄浮體系斜拉橋，設(shè)置液體黏滯阻尼器是一種十分有效的消能減震措施[1]。在地震發(fā)生時，黏滯阻尼器作為一種被動消能裝置，通過使阻尼器兩端產(chǎn)生相對位移，來吸收和耗散地震以及風(fēng)荷載在橋梁中產(chǎn)生的能量，同時不會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力，基于以上特點(diǎn)，黏滯阻尼器在國內(nèi)外的大跨度橋梁抗震控制中得到了較為廣泛的應(yīng)用[2-5]。

2 河口大橋阻尼器的設(shè)置位置和參數(shù)選擇

河口大橋位于高地震區(qū)，需采取適當(dāng)?shù)臏p隔震措施來改善橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能。若要使結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位位移有效減小，結(jié)構(gòu)受力更加合理，結(jié)構(gòu)碰撞的力度減小或避免二者相撞，通過計算機(jī)仿真模擬計算，需在橋塔處設(shè)置液壓非線性黏滯阻尼器，所以該橋在每個橋塔處設(shè)置兩個阻尼器，阻尼器設(shè)置在鋼主梁和橋塔下橫梁之間，具體設(shè)置如圖2所示。

圖2 河口大橋阻尼器布置（單位：mm）

黏滯阻尼器的阻尼力通常由下式確定：

式中：C為阻尼系數(shù)，由活塞頭的面積決定；V為套筒的速度；α為速度指數(shù)，實(shí)際工程中，0.3≤α≤0.1，當(dāng)α=1時，為線性黏滯阻尼器；α≠1時，為非線性黏滯阻尼器，速度較小時阻尼器具有足夠大的阻尼力，且隨速度的增大而增大，當(dāng)速度足夠大時，阻尼力增加幅度變小。因此這種力-速度關(guān)系的優(yōu)點(diǎn)在于在速度較大時，力趨于平穩(wěn)。

本文使用數(shù)據(jù)依托為甘肅省地震局提供的地震安全性評價報告，采用分析方法為非線性時程方法，以計算機(jī)仿真模擬對組合梁斜拉橋進(jìn)行地震響應(yīng)分析。由式1可知，橋梁的地震響應(yīng)結(jié)果取決于黏滯阻尼器的速度指數(shù)α和阻尼系數(shù)C兩個參數(shù)的取值，本文通過分析以上兩個參數(shù)取值不同時的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)結(jié)果，以確定一組適用于本橋的最優(yōu)參數(shù)組合。

表1 液體黏滯阻尼器參數(shù)C和 取值表

3 河口大橋液體黏滯阻尼器的參數(shù)分析

采用MIDAS Civil有限元計算程序中的黏彈性阻尼單元（Viscoelastic Damper）對阻尼單元進(jìn)行模擬，比較分析橋梁關(guān)鍵位置的變形和內(nèi)力來確定黏滯阻尼器參數(shù)的合理取值。

3.1 變形響應(yīng)計算分析

圖3~圖6表示了塔頂和梁端縱向縱向位移峰值隨阻尼參數(shù)的變化規(guī)律。

圖3 塔頂縱向位移隨速度指數(shù)α的變化規(guī)律

圖4 塔頂縱向位移隨阻尼系數(shù)C的變化規(guī)律

由圖3~圖6可知，在斜拉橋主梁和橋塔間設(shè)置黏滯阻尼器后：

圖6 梁端縱向位移隨阻尼系數(shù)C的變化規(guī)律

（1）在縱向地震動作用下，斜拉橋塔頂縱向位移與不設(shè)置阻尼器相比顯著減小，梁端的縱向位移與不設(shè)置阻尼器相比也明顯減小。阻尼參數(shù)取值不同時，減震效果也不同，當(dāng)阻尼系數(shù)C分別取2 000、5 000、8 000、10 000、12 000、15 000時，塔頂縱向變形響應(yīng)減小的最大百分比分別為50.7%、74.6%、77.5%、79.4%、81.3%、83%，梁端縱向變形響應(yīng)減小的最大百分比分別為46.9%、72.8%、77.4%、79.3%、80.4%、81.8%。

（2）當(dāng)阻尼系數(shù)C不變時，塔頂和梁端縱向位移均隨著速度指數(shù)的增大而增大。當(dāng)速度指數(shù)在0.2和0.4之間時，變形響應(yīng)變化趨于平緩，在速度指數(shù)后，變形響應(yīng)放大趨勢加快。

（3）當(dāng)阻尼器速度指數(shù)不變時，塔頂和梁端縱向位移均隨著阻尼系數(shù)C的增大而減小。當(dāng)阻尼系數(shù)C在2 000和8 000之間時，變形響應(yīng)衰減相對較快，在C=8 000后，衰減趨勢趨于平緩。

圖5 梁端縱向位移隨速度指數(shù)α的變化規(guī)律

3.2 內(nèi)力響應(yīng)計算分析

圖7至圖12分別為塔底彎矩、剪力和阻尼力響應(yīng)峰值隨C和的變化規(guī)律。

由圖7~圖12可以得出，在斜拉橋主梁和橋塔間設(shè)置黏滯阻尼器后：

圖7 塔底彎矩隨速度指數(shù)α的變化規(guī)律

圖12 阻尼力隨阻尼系數(shù)C的變化規(guī)律

（1）在縱向地震動作用下，斜拉橋塔底彎矩和剪力與不設(shè)置阻尼器相比均有所減少，其中彎矩減少更為明顯。阻尼參數(shù)取值不同時，減震效果也不同，當(dāng)阻尼系數(shù)分別取2 000、5 000、8 000、10 000、12 000、15 000時，塔底彎矩減小的最大幅度分別為47.0%、64.9%、67.3%、68.3%、69.7%、70.0%，塔底剪力減小的最大幅度分別為20.1%、19.7%、17.9%、17.1%、16.6%、16.4%。

（2）當(dāng)阻尼系數(shù)C不變時，塔底彎矩基本上隨著速度指數(shù)的增大而增大，在速度指數(shù)在0.2和0.4之間時，塔底彎矩變化較為平緩，在速度指數(shù)大于0.4后，塔底彎矩成放大趨勢；當(dāng)速度指數(shù)不變時，塔底彎矩隨著阻尼系數(shù)C的增大而減小。阻尼系數(shù)C在2 000和8 000之間時，塔底彎矩衰減相對較快，在C=8 000后，衰減趨勢趨于平緩。

（3）阻尼系數(shù)C取值較小時，黏滯阻尼器可有效降低塔底剪力，但當(dāng)阻尼系數(shù)較大時，反而對塔底的剪力產(chǎn)生了增大效應(yīng)，這是因?yàn)楫?dāng)阻尼系數(shù)增大到一定值后，阻尼力的增大效率超過由于黏滯阻尼器的耗能導(dǎo)致的塔底剪力的減小速率，因此塔底剪力開始隨著阻尼系數(shù)C的增大而不斷增大。

（4）當(dāng)阻尼系數(shù)C不變時，阻尼力隨著速度指數(shù)的增大而減小，阻尼力的變化規(guī)律基本與速度指數(shù)成線性關(guān)系；當(dāng)速度指數(shù)不變時，阻尼力隨著阻尼系數(shù)C的增大而增加。阻尼系數(shù)C在2 000和8 000之間時，阻尼力增大趨勢相對較快，在C=8 000后，阻尼力增大趨勢相對趨于平緩。

圖8 塔底彎矩隨阻尼系數(shù)C的變化規(guī)律

圖9 塔底剪力隨速度指數(shù)α的變化規(guī)律

圖10 塔底剪力隨阻尼系數(shù)C的變化規(guī)律

圖11 阻尼力隨速度指數(shù)α的變化規(guī)律

由以上分析可知，速度指數(shù)越大，結(jié)合梁關(guān)鍵部位的縱向變形及內(nèi)力也越大，阻尼器的減震效果較差，因此速度指數(shù)不宜取較大值；阻尼系數(shù)C越大，結(jié)合梁關(guān)鍵部位的縱向變形及內(nèi)力越小，阻尼器的減震效果較好，但阻尼系數(shù)過大會造成阻尼器的尺寸、噸位過大、阻尼器連接處內(nèi)力過大，經(jīng)濟(jì)性較差。綜合考慮以上因素，河口大橋阻尼器參數(shù)確定為：阻尼系數(shù)C，速度指數(shù)。此時，塔頂和梁端縱向位移峰值分別由原來的57.8 cm和59.3 cm降低至13.7 cm和15.4 cm，減小幅度分別為76.3%和74.0%；塔底的彎矩和剪力響應(yīng)峰值分別由原來的700 742 kN/m和11 952 kN降低至228 954 kN/m和9 908 kN，減小幅度分別為67.3%和17.1%。

4 結(jié) 語

（1）液體黏滯阻尼器的耗能減振效果十分明顯，在本橋主梁和橋塔間設(shè)置縱向液體粘滯阻尼器可有效降低結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的變形和內(nèi)力。

（2）結(jié)構(gòu)的減震效果取決于阻尼參數(shù)的取值，增大阻尼系數(shù)C或者減小速度指數(shù)均可以減小結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的變形響應(yīng)和地震力。阻尼器最優(yōu)的參數(shù)選擇應(yīng)該是滿足結(jié)構(gòu)較好的減震效果并盡量降低阻尼器的內(nèi)力，以降低阻尼器的制造和安裝成本。

（3）綜合考慮阻尼系數(shù)C和速度指數(shù)不同取值下結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的減震情況，河口大橋阻尼器參數(shù)經(jīng)優(yōu)選確定為：阻尼系數(shù)，速度指數(shù)。