液體粘滯阻尼器在梁橋抗震中的應用

盧旭陽，劉 力

(湖南科技大學土木工程學院，湖南湘潭411100)

結構消能減震體系是一種新的抗震防災技術，其主要思想是在結構的某些部位設置消能裝置(如耗能阻尼器)，當結構在強烈地震作用下，結構的能量主要通過這些耗能阻尼器來消耗，這種消能減震結構的主要優點是它并不依賴主體結構中的塑性鉸來耗散地震輸入能量，可以保護主體結構免受損傷.相對于以往的抗震設計，消能減震體系既合理又經濟，黏滯流體阻尼器是耗能減震裝置的一種，它的特點是不會給結構增加剛度，這樣就不會增加地震作用，相對于其他耗能減震裝置來說，滯流體阻尼器的耗能減震更具有優越性［1］.

近20年來，用于減振的結構保護系統有了很大的發展.在國際上迅速發展并被廣泛接受的結構保護系統包括液體黏滯阻尼器、金屬摩擦阻尼器和鉛芯橡膠抗震［2］.在橋梁上設置液體黏滯阻尼器，衰減大橋縱橫兩個方向運動已經成為設計工作者的一個重要選擇，液體黏滯阻尼器在工程應用中得到很快的發展［3］.本文通過建立有限元模型并設置液體粘滯阻尼器，分析安裝粘滯阻尼器前后橋梁的抗震性能，研究粘滯阻尼器對懸臂梁橋的影響.

1 工程背景

某公路橋為三跨預應力混凝土懸臂梁，跨度為32+50+32=114m，其中中跨為掛孔結構，掛孔梁為普通鋼筋混凝土梁，梁長16m.兩T構的主梁為預應力混凝土箱梁，橋墩兩側的懸臂長度均為18m，梁高是按照1.6次拋物線變化，邊跨是14m等高段，墩梁固結，全橋總體模型見圖2.橋墩為鋼筋混凝土雙柱橋墩，截面為1.2m*1.2m矩形，墩高度16m.主梁截面如圖1所示.主梁材料采用JTG04(RC)規范的C50混凝土，橋墩采用JTG04(RC)規范的C40混凝土.預應力鋼材采用JTG04(S)規范，在數據庫中選在Strand1860鋼絞線.本橋位于抗震設防烈度為7度的二級公路上，水平基本地震加速度值為0.15g.按照《中國地震動反應譜特征周期區劃圖》查得場地特征周期為0.45秒.

圖1 箱梁橫斷面圖(單位:cm)

圖2 全橋總體模型圖

2 地震分析理論和建模要求

結構抗震設計理論的發展大體上可以劃分成為循序漸進的四部分:靜力理論、反應譜理論、動力理論、基于性能的抗震設計理論［4］.

動力理論是將地震加速度時程直接作為輸入，對結構進行地震時程反應分析.地震作用輸入可以直接選用強震儀記錄的地震加速度時程，有三個分量，其中兩個水平分量和一個豎向分量［5］.動態時程分析方法可以十分精確地考慮到結構、樁基相互作用，地震波相位差及不同地震波多分量多點輸入等因素，還可以包括材料和幾何非線性以及各種減振、隔震裝置的作用效果，從而使得橋梁抗震計算從單一強度保證轉向為保證強度、變形(延性)的雙重保證.

地震分析所用的模型必須能夠模擬對結構地震反應有所貢獻的所有特征的振型，這是因為對于所有結構都必須考慮實際與隨機的扭轉效應，所以計算模型都必須是三維的.三維計算模型可以只針對具有較大剛度和延性的結構部分，且略去非結構的部分，但是非結構部分的質量分布卻是不能略去的［6］.

結構質量必須進行十分精確的估算，結構模型中所有的質量分布都是依賴于表示它們的橋梁構件單元數量.在進行動力分析之前，先運行靜力荷載的計算模型，用來檢查各種近似的模擬方法［7］.

3 有限元模型

動力模型分析和靜力模型分析的不同之處在于不需要精細模擬，重點是一定要準確、真實地反映出結構的剛度、質量以及結構的阻尼和邊界條件.本文的建模過程由大型有限元軟件MidasCivil完成，采用空間梁單元模擬主梁、橋墩，但是并沒有考慮樁—土結構之間的相互作用，僅將橋墩用固結邊界條件模擬.

首先定義材料和截面，T構上的主梁定義為變截面.墩梁固結，全橋的邊界條件見圖2所示，掛梁和T構主梁直接的連接方式通過釋放My的自由度模擬.建立橋墩和T構主梁的連接時，需要在墩頂上建立一個輔助節點，輔助節點和主梁采用剛性連接，和墩頂采用彈性連接中的剛性連接.

定義自重靜力荷載工況，施加自重荷載和二期恒載(鋪裝)，體內的預應力對結構的動力特性影響忽略不計.將所建結構模型的自重轉換為質量，并且把二期恒載也轉換為質量.

進行特征值分析，采用Ritz向量法對結構進行振型分析，運行分析，查看結果表格如圖3所示，振型參與質量達到了規范所規定的90%，不需要再增加初始向量的數量.

圖3 振型參與質量圖

在橋梁動力分析時，一般是取成橋階段進行分析，自重恒荷載已經對結構變形、內力產生了影響.所以，在進行動力分析的時候，需要考慮自重恒荷載的初始效應.本次建模采用的是定義一個時變靜力荷載來實現初始荷載的施加，時程分析工況設置中，加載順序一欄:在荷載工況中選擇接續前次.分析類型為非線性;分析方法為振型疊加法;時程狀態為瞬態;輸入所有振型的阻尼比0.05.

地震波的選擇，考慮地震的隨機性，選擇的地震加速度時程曲線不應該少于三組，本次選擇的地震波有:1940，EI Centro Site，270 Deg，加速度峰值 0.35g;1952，Taft Lincoln School，69 Deg，加速度峰值 0.16;1971，San Fernando，159 Deg，加速度峰值0.27g.這里僅對于第一組實錄波進行描述，使用midas中地震波數據生成器分別生成絕對加速度反應譜和偽加速度反應譜，并且將加速度反應譜的周期取為0.1～0.5秒之間的值，平均為Sa，將速度反應譜取周期為0.5～2 秒之間的值，平均為 Sv.求得 Sa 為 7.3m/s2，Sv 為 0.6m/s.則:

實錄波特征周期0.51，同該橋址場特征周期0.45比較接近，故實錄波符合要求.這里僅考慮E1地震下的作用，根據下式計算設計加速度峰值:

上面選擇的程序自帶的實錄地震波“1940，EI Centro Site，270 Deg”原始計算度峰值為0.35，PGA調整系數為:

執行時程分析數據;時程荷載函數;點擊地震波;選擇1940，EI Centro Site，270 Deg;放大系數改為 0.18;地震波就設置好了.定義地面加速度，這里僅僅考慮順橋向的地震作用.

最后是設置液體黏滯阻尼器，選擇內力型，非線性參數如圖4所示，設置的位置位于橋臺和端梁的伸縮縫處，通過阻尼器耗散地震能量，使得橋梁地震力響應效果減小.

圖4 阻尼器參數設置圖

圖4中，Cd——粘滯性阻尼器的阻尼系數;

kb——粘滯阻尼器的的連接件剛度;

s——速度指數，描述了阻尼單元的非線性特性;

d——整個單元在兩個節點間的變形;

dd——粘滯阻尼器的變形;

db——連接件的變形;

v0——單元變形時對應的速度;

特征值分析選項勾選“考慮一般連接的荷載向量”，設定好以上參數就可以運行分析了.

4 計算結果與分析

為了驗證粘滯阻尼器在減振抗震方面的優勢，對無阻尼器和加阻尼器兩種結構的計算結果從自振周期、順橋向節點位移、墩頂剪力、阻尼器滯回曲線這些方面進行對比分析.

4.1 查看自振周期

從表1可以看出，安裝了粘滯阻尼器結構與未安裝粘滯阻尼器結構的自振周期相差不大，僅僅是增加了一點點，具體原因是粘滯阻尼器的設置給原結構增加了一定的剛度，這就使得結構的整體剛度增大了一些.

表1 自振周期對比表

圖5 順橋向節點位移時程曲線圖

4.2 順橋向節點位移

由圖5可知，在順橋向方向設置2個粘滯阻尼器后節點1的X向位移明顯減小，位移最大值減小了65%，雖然改變了最大值出現的時間點，但從整體上看，粘滯阻尼器的減振效果還是很理想的.

4.3 橋墩墩底彎矩

圖6 橋墩墩底彎矩時程曲線圖

如圖6所示，在設置阻尼器之后，橋墩的彎矩較未設置阻尼器時減小了60%左右，橋墩的內力情況明顯改善，使得地震力響應得到了很好的控制，說明粘滯阻尼器對墩彎矩的減小是可行的.

4.4 墩頂剪力

可以從圖7看出安裝粘滯阻尼器之后，橋墩頂部的剪力明顯變小，橋梁的地震災害主要產生于下部結構，即使上部結構破壞，也往往是由于下部結構的破壞或大變形引起的，所以粘滯阻尼器使橋墩剪力減小，耗散了地震傳給結構的能量，分擔了橋墩的震動.

圖7 墩頂剪力時程曲線圖

5 結論

本文以某公路橋三跨預應力混凝土懸臂梁為工程背景，采用Maxwell模型模擬粘滯性阻尼器，通過非線性時程分析對全橋進行地震響應分析，對設置粘滯性阻尼器前后橋梁抗震性能的變化進行對比，主要得出了以下結論:

(1)對懸臂梁橋進行減震隔震設計時可以采用粘滯阻尼器，在橋臺和主梁之間安裝粘滯阻尼器是一個很好的解決方法.

(2)設置阻尼器后，全橋的順橋向的地震響應得到了很好的控制，可以對梁端伸縮縫起到很好的保護作用，確保了地震作用下結構的安全性能.

(3)通過設置阻尼器，可以控制橋墩和主梁的相對位移，避免結構下部結構的大變形引起上部結構的破壞.

［1］陳永祁.橋梁工程液體黏滯阻尼器設計與施工［M］.北京:中國鐵道出版社，2012.

［2］滕軍.結構振動控制的理論、技術和方法［M］.北京:科學出版社，2009.

［3］周云.粘滯阻尼減震結構設計［M］.武漢:武漢理工大學出版社，2006.

［4］范立礎.橋梁抗震［M］.上海:同濟大學出版社，1997.

［5］蘇曉蕓.基于MIDAS設置阻尼器的剛框架地震時程分析［J］.河北工程大學學報(自然科學版)，2013，(2):28－32.

［6］許文俊，王會利，苗峰.粘滯阻尼器在連續梁橋抗震設計中的應用［J］.山東交通學院學報，2011，(3):48－52.

［7］宋子威，蔡小培.粘滯性阻尼器在高速鐵路長聯大跨連續梁中的應用［J］.清華大學學報(自然科學版)，2012，(8):1102－1105.