混凝土梁斜拉桥粘滞阻尼器参数分析.pdf

1 0 0 桥梁结构 城市道桥 与防洪 2 0 1 5 年 6 月第 6 期 混凝土梁斜拉桥粘滞阻尼器参数分析 杜世 界 ( 同济大学建筑设计研究院( 集团) 有限公司， 上海市 2 0 0 0 9 2 ) 摘 要 ： 以某越江大跨度混凝土斜拉桥为实际工程背景， 研究非线性粘滞阻尼器对混凝土斜拉桥抗震性能的影响。 利用动力非线 性时程分析方法， 对非线性粘滞阻尼器的阻尼系数和阻尼指数进行了参数敏感性分析 ， 并与未设置粘滞阻尼器情况的地震响应 进行 比较 。分析结果表 明 ： 在主桥 纵桥 向设 置非线性 粘滞阻尼器 后 ， 通过 选择适 当的粘滞阻 尼器的参数 可 以有效 地降低结构 在地 震作用下关键部位的相对位移， 同时也改善了结构构件的地震力。 关键词： 桥梁工程 ； 混凝土斜拉桥； 抗震分析； 粘滞阻尼器； 非线性动力时程分析 中图分类号： U 4 4 2 5 + 5 文献标志码： B 文章编号： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 5 ) 0 6 0 1 0 0 0 5 0 引言 随着我 国经济 的高速 发展和城市化进程 的加 快 ， 桥梁工程的建设技术也 在 日新月异地进步 ， 跨 江跨海 的斜拉桥修建得越来越多 。这些桥梁一般 都 占据着交通网络枢纽的重要位置，是交通生命 线 的重要组成部分 。从近几年来发生在世界各地 的地震震 害来看 ，处于交通 网络枢纽的重要桥梁 一 旦发生破坏将导致更为严重的次生灾害f12 】。因 此 ，如何提高这类桥梁结构 的抗震性能一直是工 程技术人员研究 的重点 。近年来 ， 通过设置粘滞 阻 尼器来改善斜拉桥 的抗震性能正在成为一个研究 和应用的热点 ，并在许多实际工程实例中进行应 用【s 一 。这些工程实例多为跨径 4 0 0 1 T I 以上 的斜拉 桥， 主梁多采用钢梁或钢 一混凝土组合梁。对于斜 拉桥来说， 4 0 0 m以下跨径一般采用混凝土主梁相 对更为经济。混凝土主梁斜拉桥梁体质量较大 ， 在 地震作用下可能产生更大的地震响应。而在国内， 就粘滞性阻尼器在混凝土主梁斜拉桥结构抗震 中 的应用所开展的参数研究还 比较少 。本文 以某 越 江大跨度混凝土斜拉桥为工 程背景 ，研究 通过在 纵桥 向设置粘滞阻尼器来 提高该桥纵桥 向抗震性 能 ， 并就阻尼器的参数确定进行分析 ， 得到的参数 变化规律可供该类工程应用参考 。 1 非线性粘滞阻尼器 典 型的粘 滞阻尼器如图 1所示 。液体粘滞阻 尼器设计 一般采用双 出杆油缸式结构 ， 由缸体 、 导 杆、 活塞、 阻尼孔、 粘滞流体阻尼材料组成。活塞在 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 3 2 4 作者简介 ： 杜世界( 1 9 8 2 一) ， 男 ， 安徽风 阳人 ， 工程师 ， 从事桥梁 工程设计工 作。 缸筒 内作往复运动 ，活塞上有适 量的d , T L 成为阻 尼孔， 缸筒内装满粘滞流体阻尼材料。活塞的往复 运动带动 内部硅油的流动 ，分子产生相对运动不 可恢复 ，分子之 间产生 内摩擦 力 ，进而转换成热 能 ；另外 内部流体与 固态缸体表面的摩擦力转换 成热能 ， 这样将地震能转 化为分子热能 ， 进而产生 阻尼效果 ， 达到耗能 的目的_ 5 1 。 活 塞 杆 缸 侉 液 今 粤 圭 油 控 制 阚， 调 节 糍 支 密封挡板 油腔 带带流孔的活塞头 调节室 图 1 粘 滞 阻 尼 器 构 造 图 粘滞阻尼器 同其他减 隔震装置相 比 ，其优 点 在于 ： ( 1 )阻尼器内置为液体 ，本身没有可计算的 刚度 ， 不影响整个结构原有的设计和计算 ( 如周期 ， 振型等 ) ， 也就不会产生预想不到的副作用 ； ( 2 )安 置在结构上的粘滞 阻尼器在最 大位移 的状态下受 力为零 ， 最 大受力情况下位移为零 ， 这一 性能对减 小结构反应十分有利 ；( 3 ) 粘滞 阻尼器既可 以降低 地震反应 中的结构受力也可以降低反应位移。 粘滞阻尼器 的阻尼力 与相对变形 可通过下列 公式求得 6 1 ： F = C V 。 ( 1 ) 其 中： F为阻尼力 ，以 k N为单位计 ； V为阻尼 器 冲程速度 ，以 m s 为单位计 ； 为阻尼指数 ， 对 于粘滞性 阻尼器 ， 一般取用 0 2 2 0范 围； C为阻 尼系数 ， 其单位 为 k N， 即在 1 m s的基准运 动相对 速度下粘滞 阻尼器产生 的阻尼力 。 粘 滞阻尼器 的阻尼力 一速 度关系 曲线 如图 2 所示 ， 当 O = 1时称 为线性 阻尼 ； 当 仪1时称 为锁阻尼 ，情况与 1时恰好相反 ， 速度较小时 ， 阻尼器的阻尼力很小 ， 而当速度较大 时 ， 阻尼力的增加也很快 。在桥梁抗震设计 中， 这 三种阻尼装置均有应用 ，对于线性 阻尼 和非线性 阻尼 ， 其阻尼力与位移的滞迥曲线比较饱满 ， 其减 震原理为对地震能量进行耗散 ； 对于锁阻尼 ， 其 主 要作用是对安装滑动支座的桥墩在地震作用下墩 梁相对运动速度超过一定 阈值 时进 行锁定 ，形成 多个固定支座后使地震作用平均分配到各个桥 墩 。对于双塔斜拉桥来说 ， 其结构惯性质量大 ， 振 动周期长 ， 地震作用输入结构体系的能量巨大 ， 且 其结构体系一般为漂浮或半漂浮体系，各索塔本 身即为共同承受地震作用，采用粘滞阻尼器的主 要 目的则是耗散地震作用产生的巨大能量 ，因此 通常采用线性 阻尼和非线性 阻尼 。 图 2 粘 滞阻 尼器阻尼 力 速度关 系 曲线 图 2 工程背景 2 1 工程 概 况 某越江大跨 度混凝土斜拉桥位 于上海市西南 片区 ，是 区际公路干线上一个 的重要越 江工程节 点，大桥为主跨 2 9 6 m的双塔双索面半漂浮体系 斜拉桥 ，桥梁跨径组合为 4 8 + 7 7 + 2 9 6 + 7 7 + 4 8 = 5 4 6 ( m) 。 桥面宽度 3 4 6 m， H型钢筋混凝土桥塔， 承台 以上塔 高 9 2 2 m，桥面以上塔高 7 6 m。主梁标准 截面采用预应力混凝土双主肋断面 ， 主梁宽度 3 4 6 m， 顶面在车行道范围内设 2 0 双向横坡 ， 布 索区和人非混行道为平坡 。 主梁 中心高度 2 8 m， 主 梁肋处梁高 2 5 5 m， 主梁梁高全桥不变。 桥梁总体 布置图和主梁横断面尺寸如图 3 、 图4所示。 蕊 脚 j u L L 一 j i i l i l l 图 3 某越江大跨度混凝土斜拉桥总体布置图 2 2 计算模型 根据桥梁结构 的总体构造 ，建立 了结构动力 特性与地震反应分 析 的三维有 限元模型 ，如图 5 所示。其中， 主梁、 索塔、 边墩和辅助墩均采用空间 梁单元模拟； 斜拉索采用空间桁架单元模拟 ， 并考 虑由于垂度效应引起的几何刚度影响 ；桩基础考 虑以m法计算索塔、 桥墩基础的地基刚度 ， 考虑桩 基 的弯剪耦合效应 ， 以 6 X 6弹性地基 刚度矩 阵进 行模拟。粘滞阻尼器的力学特性则采用专门的单 元 以 Ma x w e l l 模型进行模拟 2 3 地震输入 结构地震输入采用该斜拉桥新建工程的场地 地震安全性评价报告提供 的地震动参数 。 该报告对 于各种概率水准的地震作用均提供 4 组人工合成 水平 向和竖 向地震动加速度时程 。 本文 阐述的均以 地震超越概率为 5 0 a 2 ( 地震重现期 2 4 5 0年 ) 的 4组地震动加速度时程进行分析， 并对结构响应取 包络值进行研究。 其中一条地震波的加速度时程与 其 3 阻尼比的加速度反应谱如图6 、 图7 所示。 3 阻尼器参数分析 根据对粘滞阻尼器力学性 能的介绍与分析可 知 ， 当粘滞 阻尼器 的参数选取不 同时 ， 粘滞阻尼器 对结构 的影响也不相 同。因此 ， 需要考虑对阻尼器 的阻尼参数和阻尼指数进行敏感性分析。研究这 些参 数变化对结构 响应影 响的变化规律 ，为粘滞 阻尼器设计参数 的确定提供依据 。 通过对结构体系的仔细考虑，根据该桥结构 设计特点 ， 为使梁体 、 索塔受力对称均衡 ， 该桥在 每个索塔与主梁间设置 4个纵 向粘滞性 阻尼器进 50 5 1 2 2 5 L 1 2 25 5 05 道路中心线 一 旦_0 0 2 0 o 一 2 0 0 旦 - , q r 9 20 7 一 I l 广 1 l L L LJ L - J J J 3 3 0 L 2 0 0 L 2 0 0 L 1 0 0 0 。 9 0 0 L 2 0 0 3 0 0 L 3 3 0 图 4 主梁 横断面构 造图 墓 I 量 l _ - 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 2 桥梁结构 城 市道桥与 防洪 2 0 1 5 年 6 月第 6 期 。1 =一 。 图 5 结构 动力分析模 型 图 6 地震波加 速度时程 图示 图 7 地震 波反应谱 行减震 ， 全桥共设 置 8个 阻尼器。以上文所述的 4 组地震加速度时程进行非线性 时程分析 ，分析工 况见表 1 所列 。 表 1 阻尼器参数 分析工况 一览表 ， I( N 20 n n 2 3 0 0 2 5 0 n 3 0 0 0 5 0 0 0 0 2 0 - 2 0-2 0 2 O 2 0 3 0 3 03 0 3 0 3 o 【0 4 0 4 04 0 4 0 4 0 5 0 5 05 0 5 0 5 1 0 1 0 1 O 1 0 1 O 综 合考 虑结 构各个 关键部 位 响应量 的情 况 ， 一 方面利用阻尼器降低结构关键部位的位移， 避 免结构可能发生 的碰撞破坏 ，同时又考虑利用阻 尼器 降低结构关键部位的 内力响应 ，通过 比较分 析这些 响应量来确定粘滞阻尼器的合理参数 。具 体的计算结果及其 随阻尼器参数变化 的规律见 图 8图 1 3所示 。 图 8 、 图 9所示为不 同阻尼器参数情况下 主梁 梁端与索塔塔顶最大位移的变化规律。从图中可 以看出 ： 在不设纵桥 向阻尼器时 ， 结构在地震重现 期为 2 4 5 0年水准 的地震作用下 ， 主梁梁端 与索塔 1 5 00 2 0 00 2 50 0 3 0 00 3 5 00 40 0 0 4 5 00 5 00 0 55 00 阻尼系数 k N 图 8 主梁粱端 位移 曲线 图 图 9 索塔塔顶位移曲线图 4 2 E -R 41 E 世 地 4 O E l 5 0 0 2 00 0 25 0 0 3 00 0 3 5 0 0 4 00 0 4 50 0 5 0 00 5 5 0 0 阻尼系数 k N 圈 1 0 索塔塔底弯矩曲线图 1 5 00 2 0 00 2 5 00 3 0 00 35 0 0 40 0 0 45 0 0 5 00 0 5 5 00 阻尼系数 k N 图 1 1 索塔塔底 剪力 曲线 图 4 2 0 8 6 4 2 O l l l 0 O 0 0 0 辫 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5 年 6 月第 6期 城 市道桥 与防洪 桥梁结构 1 0 3 Z 稚 四 阻尼系数 k N 图 1 2 塔梁 闻相对位 移 曲线 图 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 3 5 0 0 4 0 0 0 4 5 0 0 5 0 0 0 5 5 0 0 阻尼系数 k N 图 1 3 阻尼器最大 阻尼力 曲线 图 塔 顶产 生 了很 大 的位 移 ，分别 达 到 了 1 0 6 m和 1 2 5 m 。主梁梁端的大位移将造成结构碰撞 ， 从而 引起结构损伤，塔顶过大的位移也将增大 P _ 效 应 ， 从而增大索塔塔底的弯矩， 使索塔结构的受力 状态更为不利。当设置 了阻尼器后 ， 主桥纵桥 向设 置的粘滞性阻尼器有效地耗散结构在地震作用下 的输入 能量 ，主梁梁端与索塔塔顶 的最 大位移均 下降至原来的 2 0 6 0 ， 当阻尼参数 C一定时 ， 主梁梁端 与索塔 塔顶位 移均 随阻尼 指数 d 的减 小 而逐渐减 小 ， 当阻尼指 数 一定 时 ， 梁端 与塔 顶的位移均随阻尼系数 c的增大而逐渐减小 ， 这 表明， 当阻尼系数 C取大值 ， 阻尼指数 仅取小值 时 ，粘滞阻尼器能够更好地发挥耗散地震输入能 量 的能力 ， 得到更好 的减震效果。 图 1 0 、 图 1 1 所示为不 同阻尼器参数情 况下索 塔塔底弯矩、 塔底剪力的变化规律。从图中可以看 出： 当设置了主桥纵桥向阻尼器后 ， 索塔塔底弯矩 均有了大幅度的下降。对于不同参数的粘滞阻尼 器，索塔塔底弯矩减小至不设阻尼器工况下索塔 塔底弯矩的 3 0 一 6 0 。与位移变化趋势相同， 索 塔塔底弯矩随阻尼指数 的减小而逐渐 减小 ， 随 阻 尼 系数 c的增 大 而逐 渐减 小 ， 在 阻 尼 系数 为 2 0 O 0 3 0 0 0范 围内 ， 塔底弯矩衰减较快 ， 随后 趋 于平缓 。索塔塔底剪力变化趋势与塔底弯 矩的变 化趋势相近 ， 不 同之处在于 ， 与不设 阻尼器 的工况 相比， 设置不同参数的粘滞阻尼器后， 索塔塔底剪 力水平基本相 当， 差异仅仅在 1 0 以内。分析其 原因在于 ： 主桥纵向设置了粘滞阻尼器后， 一方面 使得地震作用下 主梁 的纵桥 向水平惯性力 主要传 递途径 由拉索一 十 索塔一基础改变为粘滞 阻尼器一 索塔 基础， 降低了惯性力的作用点， 减小了惯性 力对于基础 的力臂 ，从而减小 了结构基础 承受的 弯矩 ； 另一方面， 粘滞阻尼器的设置有效地减小索 塔 的地震位移响应 ， 索塔 内 P - 效应减小 ， 同样也 减小 了结构基础承受 的弯矩 。而索塔塔底 剪力则 主要 由地震作用下结构 的惯性力贡献 。由于设 置 阻尼器后并不改变结构 的振动周期 ，因此地震加 速度响应变化并不十分显著，结构惯性力差异也 不大 ， 与不设 阻尼器的情况 相 比， 设置不 同参数 的 阻尼器后索塔塔底剪力相差不大。 图 l 2 、 图 1 3所示为不 同阻尼器参数情 况下塔 梁间纵 向相对位移( 阻尼器所需要 的最大行程 ) 和 阻尼器阻尼力 的变化规律 ， 从 图中可以看 出 ： 塔梁 间相对位移随着阻尼器阻尼系数 c的增大而减 小 ， 随阻尼指数 的减小 而减小 。而阻尼器 阻尼 力的变化规 律则与之相反 ， 随着 阻尼参数 的增 大 ， 阻尼力也逐 渐增大 ， 随阻尼指数 的增大而逐渐 减小 。 从 阻尼器参数 的分析可知 ，当阻尼 系数 c取 大值 ， 阻尼指数 0 【 取小值时 ， 粘滞阻尼器能够更 好 地发挥耗 散地震输入 能量的能力 ，得到更好 的 减震效果。但这并不意味着在进行阻尼器参数的 选择 时即可 简单使用这一 原则 。阻尼器参数 的选 择往往需要综合考虑各种 因素进行 。既需要使得 阻尼器 的设 置能更 为有效 地耗散地 震输入 能量 ， 又应控制结构位移 ， 能与结构构造设计相适应 ， 同 时还降低使得阻尼器制作加工和安装难度。就阻 尼指数 来说 ， 当其数值越小时 ， 阻尼器在结构 振动速度较低 时即能提供较大 的阻尼力 ，其减震 效果越好 ， 故一般可采用较小值 ； 阻尼系数 c的增 大则显著提高 阻尼力 的水平 ，阻尼力 的增大一方 面造成阻尼器质量体积增大 ，从而提高了阻尼器 制作加工 的要求和施工安装 的难度 ，另 一方面也 提高了其与塔、 梁连接部位的强度要求。故应结合 结构位移控制要求 ， 来确定 阻尼系数 C的取值。 该工程综合考虑梁 端位移 、阻尼器行程范 围 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 4 桥梁结构 城 市道桥 与防洪 2 0 1 5 年 6 月第6 期 和最大阻尼力等各种因素。结合桥梁结构的特点， 在每个索塔与主梁间设置 4 个纵向粘滞性阻尼器 进行减震 ， 全桥共设置 8个阻尼器 。每个 阻尼器的 参数选择为 C = 2 3 0 0 k N， 阻尼指数采用 0 【 = 0 2 。 设 置 了所选择 的粘滞性阻尼器后 ，结构 主要地震 反 应列于表 2 。 结果表明阻尼器的设置使得塔底的弯 矩 、 塔顶和梁端位移均降至 4 0 ， 提高了结构 的抗 震性能。 表 2 结构 主要地震 反应一览表 4 结论 通过对该越江大跨度混凝 土斜拉桥粘滞性 阻 尼器 的参数分析 ， 可 以得 出以下结论 ： ( 1 ) 在主桥纵桥向设置粘滞性阻尼器， 可以有 效地耗散结构在地震作用下 的输入 能量 ，从 而减 小 主桥索塔塔顶 、主梁梁端及塔 上支座处 的纵 向 位移， 从而可以避免或减轻碰撞引起的结构损伤。 ( 2 ) 在该桥纵向设置粘滞性阻尼器， 可以使得 地震作用下主梁的纵桥向水平惯性力传递途径由 拉索 索塔 基础改变为粘滞阻尼器 索塔 基 础 ， 降低了惯性力的作用点， 减小了惯性力对于基 础的力臂 ， 从 而减小了结构基础承受的弯矩 。塔底 剪力变化幅度不大 。 ( 3 ) 在不 同参数 的阻尼器情况 下 ， 塔 底弯矩 、 塔梁相对位移 的变化规律相似 ，即当阻尼指数一 定时 ， 随着阻尼系数的增大， 塔底弯矩 、 塔梁相对 位移均相应减 小 ； 当阻尼系数一定时 ， 随着 阻尼指 数 的增大 ， 塔底 弯矩 、 塔梁 相对位移均 相应增 大 。 阻尼器阻尼力的变化规律则与之相反 ( 4 ) 阻尼器的选取应综合考虑粱端位移、 阻尼 器行程范围和最大阻尼力等各种因素。结合桥梁 结构 的特点 ， 该桥粘滞 阻尼器可设置 8个 ， 每个 阻 尼器 的参 数 选择 为 C = 2 3 0 0 k N，阻尼 指数 采用 o 【 =O 2 参考 文献 1 】 谢旭 桥梁结构地震响应分析与抗震设计【 M 北京 ： 人民交通出 版社 ， 2 0 0 6 2 】 柳炳康， 沈小璞 工程结构抗震设计 M 武汉： 武汉理工大学出 版社 2 0 o 5 【 3 】 王志强 ， 胡世德 ， 范立础 东海大桥粘滞阻尼器参数研究【 J 】 _ 中 国公路学 报 。 2 0 0 5 。 1 8 ( 3 ) ： 3 7 - 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