某上承式拱橋減震控制理論分析

■陳煒華

(漳州市順通路橋建設有限公司，漳州 363000)

某上承式拱橋減震控制理論分析

■陳煒華

(漳州市順通路橋建設有限公司，漳州 363000)

上承式拱橋是一種常見橋型，其抗震性能較低，難以設計成延性抗震結構。本文嘗試將阻尼器應用到拱橋的減震控制中，運用Midas軟件進行有限元分析，通過比較分析以討論較為合理的減震控制方案。

上承式拱橋 阻尼器 減震控制

1 引言

拱橋由于主拱圈軸壓比較大，橫向剛度較低，延性較低，難以設計成延性抗震結構。在地震作用下往往受到不可逆的破壞，采取適當的減震措施是控制拱橋地震響應一種經濟有效的途徑。本文試圖在拱橋模型中加入阻尼器，以討論阻尼器對拱橋減震控制中的適應性以及減震器的優化布置。

2 有限元模型及阻尼器參數

某上承式拱橋為單孔雙曲拱橋，主拱圈為等截面無鉸拱，凈跨徑為30.00m，凈矢高為5.00m，凈矢跨比F0/L0=1/6。橋面凈寬約為7.0m，布置為1.2m人行道+4.6m車行道+1.2m人行道。拱圈厚度為50cm，由5拱4波組成。主拱圈兩側各3個腹拱，邊腹拱為三鉸拱，腹拱圈為預制混凝土試塊拼裝。

本文所采用的阻尼器是摩擦耗能阻尼器，由模管、鋼棒、內圓筒和外圓筒組成，鋼棒與模管緊密套合，其中鋼棒的直徑比模管的內徑稍微大一點，以保證當鋼棒滑移時在模管緊固力作用下產生恒定的摩擦力。這種摩擦耗能阻尼器與支撐構建串聯使用時，在外荷載作用下的反應呈現理想彈塑性。經反復試算，摩擦耗能阻尼器支撐的參數為：剛度為1000kN/mm，屈服強度為7000kN。

圖1 拱橋有限元模型

3 計算結果及分析

3.1 自振特性

經計算，橋梁的前3階振型如表1所示。

表1 前3階振型及其描述

3.2 未設置阻尼器的地震響應

此次計算選用兩條地震波 (EI-Centro波、Hollywood Storage波)作為時程分析的地震震動輸入，為充分考慮阻尼器的作用，將上述地震波的峰值加速度均調整為0.4g。每個地震波輸入時分別考慮兩種工況：工況一僅考慮地震動順橋向和橫橋向輸入，不考慮豎向地震波速；工況二為順橋向、橫橋向和豎向三個方向輸入。拱頂及1/4拱截面的位移最大值如表2、表3所示。

表2 未設置阻尼器拱頂最大位移值(m)

表3 未設置阻尼器1/4拱截面位移最大值(m)

3.3 阻尼器布置方案及設置阻尼器的地震響應

由表1～表3可知，該拱橋的面外剛度較低，橫向位移響應較大。此次理論計算從拱腳至拱頂的兩拱肋間的橫撐間逐次對稱增加阻尼器的數量(2，4，……，10)，分析對比阻尼器的優化布置方案及減震效果。

對設置不同數量阻尼器的計算模型進行地震響應分析，引入減震率μ，定義為：

其中：φa、φb分別為設置阻尼器前后的響應值。

拱頂位置及拱腳面外彎矩的減震效果見表4、表5。

表4 拱頂橫向位移減震效果

表5 拱腳面外彎矩減震效果

由表4、表5可知：

(1)拱頂橫向位移減震率隨著阻尼器數量的增加而增加，當其阻尼器數量由4個增加為6個時，減震率增幅最大，說明此時增加的阻尼器對拱頂位移控制效果最好；阻尼器數量由6個增加10個時，減震率增幅較平緩，說明在此階段增加阻尼器數量對位移控制的影響相對較小。

(2)拱腳面外彎矩減震率隨著阻尼器數量的增加而增加，當其阻尼器數量由2個增加為4個時，減震率增幅最大，說明靠近拱腳設置阻尼器對拱腳面外彎矩的控制效果最好；阻尼器數量由6個增加10個時，減震率增幅較平緩，說明在此階段增加阻尼器數量對拱腳面外彎矩的影響相對較小。

4 結論

通過以上的比較研究可以看出：設置阻尼器能夠有效減少拱橋的地震響應，在拱橋減震控制中具有較好的應用前景。在大震中，阻尼器通過摩擦耗能以消耗地震輸入的能量，不禁可以減少拱頂的橫向位移響應，而且可以較大程度的減小拱腳面外彎矩。阻尼器布設位置和數量對拱橋的減震效果具有較大影響，在采用時應對其進行優化，從而達到經濟、安全的效果。

[1]李正英，等.粘滯阻尼器拱橋結構減震控制研究[J].振動與沖擊，2007，26(1).

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