大跨度斜拉橋粘滯阻尼器參數(shù)敏感性分析

摘" 要：為研究不同參數(shù)選擇下非線性粘滯阻尼器對大跨度斜拉橋抗震性能的影響，以主跨為280 m的雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋為工程背景，對非線性粘滯阻尼器的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，主要針對阻尼系數(shù)C和阻尼指數(shù)ξ，通過數(shù)值分析方法，確定粘滯阻尼器的最佳參數(shù)配置。結(jié)果顯示，通過改變粘滯阻尼器的C與ξ參數(shù)可以調(diào)節(jié)梁端位移，隨著阻尼參數(shù)的增大梁端位移逐漸減小；隨著阻尼參數(shù)的增加，墩底剪力總體呈現(xiàn)增加趨勢，墩底彎矩總體呈現(xiàn)減小趨勢；該橋最佳阻尼器參數(shù)組合為ξ=0.3和Ｃ=2 000 kN·s·m-1。

關(guān)鍵詞：大跨度斜拉橋；粘滯阻尼器；參數(shù)敏感性分析；抗震性能；數(shù)值分析

中圖分類號：U442.55" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " "文章編號：2095-2945（2024）35-0１１７-0４

Abstract： To study the influence of nonlinear viscous dampers on the seismic performance of long-span cable-stayed bridges under different parameter selections， a sensitivity analysis was conducted on the key parameters of nonlinear viscous dampers， mainly focusing on the damping coefficient C and damping index ξ， using a double tower double cable plane prestressed concrete cable-stayed bridge with a main span of 280 meters as the engineering background. The optimal parameter configuration of viscous dampers was determined through numerical analysis methods. The results show that the displacement of the beam end can be adjusted by changing the C and ξ parameters of the viscous damper， and the displacement gradually decreases with the increase of damping parameter; With the increase of damping parameters， the overall shear force at the bottom of the pier shows an increasing trend， while the bending moment at the bottom of the pier shows an overall decreasing trend. The optimal damper parameter combination for this bridge is ξ=0.3 and Ｃ=2 000 kN·s·m-1.

Keywords： large-span cable-stayed bridge; Viscous damper; Parameter sensitivity analysi; Seismic performance; numerical analysis

中國是一個地震多發(fā)、地震烈度高的國家，許多地方位于地震活動區(qū)[1-2]。作為交通的命脈，橋梁在地震后的災(zāi)害救援過程中扮演著至關(guān)重要的角色。一旦橋梁被地震摧毀，會對生命安全和財產(chǎn)安全造成很大的影響[3]。近年來，隨著對橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能的深入研究，采用減震、隔振裝置已經(jīng)成為熱門課題[4-6]。尤其在大跨度斜拉橋中，粘滯阻尼器因其卓越的減振效果而被廣泛運用[7-11]。不僅在重慶的鵝公巖大橋和上海的盧浦大橋等橋梁中，已經(jīng)成功引入了粘滯阻尼器來強化抗震能力，而且該技術(shù)的應(yīng)用也得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)可。然而，非線性粘滯阻尼器的應(yīng)用仍需進(jìn)一步探索和驗證，以提供更加穩(wěn)定可靠的抗震效果。在未來的研究和實踐中，將會有更多的創(chuàng)新技術(shù)和方法涌現(xiàn)，為橋梁工程的安全保障提供有力支持。本文以長潭河溇水特大橋為背景，建立有限元全橋抗震模型，橋墩下方采用群樁基礎(chǔ)，考慮樁土之間相互作用，橋墩與主梁之間設(shè)置非線性粘滯阻尼器（每個索塔配置2個，共4個）。分析阻尼器不同參數(shù)取值對該橋梁端位移、墩底彎矩、墩底剪力等地震響應(yīng)的減震效果，研究大跨度雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋阻尼器力學(xué)參數(shù)的合理取值。

1" 工程概況

長潭河溇水特大橋橋跨布置為（2×30+5×40+（127+280+127）+5×40+2×30） m。主橋平面位于直線上，橫坡2%雙向坡，縱向2%單向坡。橋梁上跨婁水河、省道、鄉(xiāng)道。溇水河為娃娃魚保護(hù)區(qū)，2個主墩均不在水中，距離河岸最近主墩約40 m。主橋采用（127+280+127） m預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋。主梁采用π型梁，梁高2.4 m，主橋?qū)?8.5 m。斜拉索采用空間雙索面，中跨標(biāo)準(zhǔn)索距8 m，邊跨加密區(qū)索距6 m。主塔采用H型花瓶式橋塔，主塔設(shè)置兩道橫梁。承臺頂設(shè)置基座，基座高1.5 m。基礎(chǔ)采用4×6-2.8 m直徑樁基礎(chǔ)。該橋立面布置圖如圖1所示。

2" 有限元模型

2.1" 有限元模型的建立

本次抗震計算采用midas/civil 2020程序，有限元模型建立如圖2所示。

2.2" 粘滯阻尼器的布置

全橋計算模型采用4個粘滯阻尼器彈簧單元，考慮相對比較高階的振型影響。如圖2所示，橋墩編號從左至右依次為2#、3#，4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#、11#、12#、13#、14#、15#。粘滯阻尼器的阻尼系數(shù)C和阻尼指數(shù)ξ決定了阻尼器的耗能性能，同時影響結(jié)構(gòu)的減震效果，因此本文采用時程分析試算來決定最優(yōu)阻尼參數(shù)。每個塔設(shè)置2個阻尼器，全橋共設(shè)置4個。本橋支座布置如下所述：①普通模式下8#、9#索塔采用雙向活動支座；②在8#、9#索塔與梁之間各加裝2個粘滯阻尼器（FD）單元。分析過程中不考慮活動支座的順橋向摩擦力影響。

2.3" 地震波的選取及輸入

根據(jù)JTG/T 2231-01—2020《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》，溇水河特大橋主橋為A類橋梁，橋址所在地抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，設(shè)計基本地震加速度為0.05g，地震反應(yīng)譜特征值0.35 s，場地類別為Ⅱ類。根據(jù)地震安評單位提供《安評報告》該斜拉橋阻尼比取為0.03，阻尼采用瑞利阻尼。

根據(jù)地質(zhì)安評報告，E1地震作用采用100 a超越概率10％的時程波，對應(yīng)的重現(xiàn)期為950 a，用以檢算強度跟應(yīng)力；E2地震作用采用100 a超越概率4％的時程波，對應(yīng)的重現(xiàn)期為2 500 a。在分析結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)時，分別考慮順橋向+豎向和橫橋向+豎向地震力作用。E1、E2地震作用下各地震動時程曲線如圖3、圖4所示。

3" 粘滯阻尼器參數(shù)敏感性分析

3.1" 阻尼參數(shù)選取

粘滯阻尼器采用Maxwell粘彈性模型。Maxwell模型如圖5所示。

Maxwell模型數(shù)學(xué)表達(dá)式為

F=k×dk=CVξ，

式中：k為串聯(lián)彈簧的剛度（本文取106）；dk為彈簧變形量；C為阻尼器阻尼系數(shù)；V為相對運動速度（本文取1 m/s）；ξ為阻尼指數(shù)。

影響阻尼器阻尼力最關(guān)鍵的2個因素為阻尼系數(shù)C和阻尼指數(shù)ξ。在工程設(shè)計過程中，選擇合適的參數(shù)至關(guān)重要，將直接影響阻尼器對結(jié)構(gòu)的相應(yīng)情況。在不同的結(jié)構(gòu)和不同的項目中，選用的參數(shù)通常會不一樣。因此，針對特定結(jié)構(gòu)，在特定的工程環(huán)境下，應(yīng)該進(jìn)行系統(tǒng)的阻尼器參數(shù)分析，選用合適的參數(shù)可達(dá)到事半功倍的效果。

3.2" 阻尼器參數(shù)敏感性分析

不同阻尼參數(shù)下，梁端位移、墩底彎矩、墩底剪力、阻尼力變化曲線如圖6所示。

從圖6（a）、（b）可以看出，通過改變粘滯阻尼器的C與ξ參數(shù)可以調(diào)節(jié)梁端位移，隨著C的增大與ξ的減小，梁端位移逐漸減小。

從圖6（c）—（f）中可以看出，當(dāng)ξ恒定時，隨著C的增加，墩底最大彎矩力先減小后增大，并且存在明顯的拐點，阻尼指數(shù)ξ在下降階段趨于較小的0.3～0.4值，在上升階段趨于較大的0.5～0.6值。

從圖6（g）—（j）中可以看出，當(dāng)ξ恒定時，隨C的增加，墩底剪力總體呈現(xiàn)增加趨勢，在C=2 000 kN·s·m-1處有明顯的拐點。

從圖6（k）、（l）中可以看出，當(dāng)C值恒定時，隨著阻尼參數(shù)ξ的增加，最大阻尼力一般呈減小趨勢，當(dāng)ξ值恒定時，隨阻尼參數(shù)C的增加，最大阻尼力通常呈增加趨勢。對于這座橋，當(dāng)控制最大阻尼力是優(yōu)化目標(biāo)時，阻尼器參數(shù)往往采用較大的ξ值和較小的C值。

4" 結(jié)論

本文以長潭河溇水特大橋為背景，建立有限元全橋抗震模型，橋墩下方采用群樁基礎(chǔ)，考慮樁土之間相互作用，橋墩與主梁之間設(shè)置非線性粘滯阻尼器（每個索塔配置2個，共4個）。分析阻尼器不同參數(shù)取值對該橋梁端位移、墩底彎矩、墩底剪力等地震響應(yīng)的減震效果、全橋結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)結(jié)果，并得出以下結(jié)論：①大跨度斜拉橋在橋墩與主梁之間設(shè)置非線性粘滯阻尼器（每個索塔配置2個，共4個）， 可以有效地減少主梁的縱向位移，提高其抗震性能，同時優(yōu)化索塔的剪力和彎矩。不同的阻尼器參數(shù)對結(jié)構(gòu)的影響不同。②根據(jù)分析結(jié)果，綜合考慮安裝與經(jīng)濟(jì)性，粘滯阻尼器最優(yōu)參數(shù)為ξ=0.3，C=2 000 kN·s·m-1。

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