大跨度斜拉橋粘滯阻尼器抗震性能分析

劉 明 喻 梅

(1.天津市政工程設計研究院四川分院，四川 成都 610000; 2.重慶交通大學，重慶 400074)

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大跨度斜拉橋粘滯阻尼器抗震性能分析

劉 明1喻 梅2

(1.天津市政工程設計研究院四川分院，四川 成都 610000; 2.重慶交通大學，重慶 400074)

對大跨度斜拉橋進行了地震非線性動力時程響應分析，通過改變阻尼器參數，取得了不同阻尼特性下結構的響應特征，并對比選出了最合適的阻尼特性參數，為同類型橋梁的地震減隔震分析提供借鑒。

斜拉橋，粘滯阻尼器，時程分析，抗震性能

1 概述

阻尼參數對結構動力特性起著非常重要的作用，也是影響結構地震動力響應重要的參數之一。在一般常規橋梁結構的地震動力響應分析中，結構的阻尼特性常以阻尼比或者以瑞利阻尼形式加以考慮。而對于非線性結構或對于具有非均勻阻尼的大跨度橋梁(如斜拉橋、懸索橋等)的地震響應分析中，為了更準確分析結構的地震動響應，則需要采用更準確的方法考慮結構的阻尼特性。對于大跨度橋梁，支座阻尼器的選取是影響結構抗震性能的重要影響因素之一。本文對大跨度斜拉橋采用液體粘滯阻尼器進行抗震分析，通過對比分析無阻尼、各種阻尼參數條件下結構的動力響應，進而得出適合本橋的最優阻尼參數。

2 計算模型

大跨度斜拉橋橋跨布置為(217+538+217)m，主梁斷面為流線形鋼箱梁，主梁寬31.5 m。主梁以上橋塔塔高180 m。采用大型橋梁計算軟件Midas Civil2015進行有限元分析，其中主梁、橋塔、橋墩采用空間梁單元，斜拉索采用桁架單元。主梁和邊墩之間豎向采用彈性連接，塔梁間豎向和橫向采用彈性連接。主梁在順橋向漂浮，通過縱向粘滯阻尼器來限制其縱向變形。順橋向粘滯阻尼器采用一般連接的粘彈性效能器模擬，橫橋向阻尼支座采用一般連接的滯后系統模擬。全橋有限元模型如圖1所示。

3 地震動參數

本文通過工程場地地表面處50年超越概率為10%，阻尼比為5%的地震動加速度反應譜，根據《公路橋梁抗震設計細則》得到地表處地震動加速度時程曲線，選取其中3條地震波作為本橋進行輸入地震波。現給出50年超越概率10%的三條地震波時程曲線如圖2所示。

4 液體粘滯阻尼器及其參數選擇

4.1 選擇參數

由于篇幅本文僅僅列出50年10%超越概率水準下的加速度時程曲線作為水平向地震動輸入，豎向取水平向的0.63倍作為地震動的輸入，采用非線性時程分析法進行地震響應計算分析。由于粘滯阻尼器的阻尼系數C和阻尼指數ξ的取值不同，結構的地震動響應也隨之不同。為了確定最合理的結構阻尼參數，本文構造不同阻尼參數樣本，并在橋梁支座采用不同阻尼參數時，對其進行地震響應分析。研究地震響應與阻尼參數之間的相關性，以便得出最合理的支座阻尼參數。本文阻尼參數C和ξ樣本取值如表1所示。

表1 粘滯阻尼器阻尼參數樣本C,ξ值

ξC=1500C=2000C=2500C=3000C=3500C=40000.20.20.20.20.20.20.20.30.30.30.30.30.30.30.50.50.50.50.50.50.50.70.70.70.70.70.70.71111111注:C的單位為kN·m-ξ·sξ

4.2 不同阻尼器參數的地震響應分析

本文通過有限元分析得到不同參數阻尼時的橋梁關鍵部位的動力響應，如塔頂位移，主梁位移，塔底彎矩，塔底剪力等。隨后研究這些動力響應與支座阻尼參數之間的相關關系，在這些研究基礎上提出了適合本橋的支座阻尼器參數。由于篇幅限制，本文僅列出順橋向塔頂位移，順橋向塔底彎矩的計算結果。

4.2.1 塔頂縱向變形分析

表2列出了阻尼參數C和ξ的不同取值時橋塔頂地震響應峰值，圖3，圖4分別為塔頂縱向變形隨C和ξ的變化規律。

表2 塔頂縱向變形響應峰值 cm

從表2和圖3,圖4可以看出阻尼參數與結構地震動力響應有如下相關關系：1)采用阻尼支座時，順橋向地震響應顯著減小，與無阻尼器相比，阻尼系數分別為1 500，2 000，2 500，3 000，3 500，4 000時，塔頂縱向變形響應峰值分別減小了70.4%，73.4%，77.8%，79.9%，80.1%，79.3%。2)從塔頂縱向變形隨阻尼參數C，ξ變化曲線可以看出，塔頂縱向變形響應峰值隨著阻尼指數ξ的增大而增大，隨著阻尼系數C的增大而減小。

4.2.2 塔底彎矩計算分析

表3列出了阻尼參數C和ξ的不同取值時橋塔底順橋向地震響應彎矩峰值，圖5,圖6分別為塔底彎矩隨C和ξ的變化規律。

表3 塔底順橋向彎矩峰值 ×105 kN·m

由表3和圖5，圖6可以得出在塔梁間設置了粘滯阻尼器之后有如下結果：

1)阻尼支座對彎矩響應制震效果較為顯著。與無阻尼相比，阻尼系數C分別為1 500，2 000，2 500，3 000，3 500，4 000時，塔底彎矩峰值減小的幅度分別為46.8%，48.5%，50.0%，48.4%，42.2%，35.8%。

2)從塔底彎矩峰值隨阻尼系數C，ξ變化曲線可得到，當阻尼系數C<3 000時，塔底彎矩峰值隨著阻尼指數ξ的增大而增大；

當阻尼系數C≥3 000時，塔底彎矩峰值隨阻尼指數ξ的增大呈先減小后增大趨勢。當阻尼指數ξ>0.2時，塔底彎矩峰值隨阻尼系數C的增大而減小，當ξ=0.2時，塔底彎矩峰值隨阻尼系數C的增大先減小后增大。

5 結語

從圖3～圖6可以看出，總體上阻尼器減隔震效果比較顯著。從地震動力響應與阻尼系數相關性來看，地震動力響應峰值與阻尼指數ξ近似成正比例關系，即塔頂和梁端變形峰值、塔底彎矩峰值隨阻尼指數ξ增大而增大。地震動力響應與阻尼系數C近似成反比例關系，即塔頂和梁端變形峰值、塔底彎矩峰值隨阻尼系數C增大而減小。由此得出，實際應用中阻尼指數ξ不宜過大，宜取小一些。大跨度橋梁支座粘滯阻尼器阻尼指數取值約在0.1～0.5之間。按照相關性關系，阻尼系數C應取大值。但阻尼系數C增大，會導致阻尼器噸位變大、阻尼器與橋梁連接部位內力增大。由此會導致結構受力性能和經濟性變差，因此阻尼系數C也不宜過大。基于以上分析，綜合考慮經濟性、結構受力合理性和減隔震效果，本橋阻尼器阻尼參數C，ξ均取偏小值，即阻尼系數C=2 500 kN·m-0.2·s0.2，阻尼指數ξ=0.2。 此時，塔頂和梁端縱向變形峰值分別由無阻尼時的73.5 cm和65.4 cm降低至16.9 cm和12.1 cm；塔底的彎矩響應峰值由無阻尼時的17.4×105kN·m降低至8.6×105kN·m，阻尼器減隔震效果較好，滿足工程抗震要求，結構受力和經濟性也較為合理。

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Analysis on fluid viscous damper seismic performance of large-span cable-stayed bridge

Liu Ming1Yu Mei2

(1.TianjinMunicipalEngineeringDesignAcademySichuanBranchCompany,Chengdu610000,China;2.ChongqingUniversityofTraffic,Chongqing400074,China)

The paper carries out seismic non-linear dynamic time-history response analysis of large-span cable-stayed bridge. Through changing damper parameters, it obtains structural response performance under different damper features, and finally achieves appropriate damper parameters through comparative analysis, which has provided some guidance for similar bridge seismic reduction and isolation.

cable-stayed bridge, fluid viscous damper, time-history analysis, seismic performance

1009-6825(2016)20-0160-02

2016-05-08

劉 明(1979- )，男，博士，工程師

U441.3

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