拱加勁連續剛構橋基于粘滯阻尼器的減震研究

吳 畏

(中鐵五局成都投資發展有限責任公司，四川 眉山 620562)

拱加勁連續剛構橋基于粘滯阻尼器的減震研究

吳 畏

(中鐵五局成都投資發展有限責任公司，四川 眉山 620562)

以某拱加勁連續剛構橋為工程背景，利用有限元軟件MIDAS/CIVIL建立三維模型，安裝粘滯阻尼器，采用Maxwell模型研究粘滯阻尼器阻尼參數選擇以及在受到地震激勵作用下該減震系統的減震效果,結果表明安裝了粘滯阻尼器耗能支撐的橋梁結構地震動力反應明顯地減小。

拱加勁連續剛構橋，粘滯阻尼器，減震系統

0 引言

近年來，國內外地震發生較為頻繁，給人們的生命財產安全帶來極大的危害。橋梁作為交通運輸的生命線如何能有效地減小地震作用的影響，是現在研究的重要方向。其中減隔震技術可以顯著提高橋梁結構在遭遇地震時的安全性和穩定性，減輕結構的破壞。

拱加勁連續剛構橋是將拱、梁、墩固結在一起的新型拱梁組合結構，具有造型美觀、跨越能力大、施工簡單等優點，近年來在工程中的應用越來越廣。拱加勁連續剛構橋可以極大地提高橋梁的豎向、縱向剛度，減小橋梁的豎向撓度和縱向位移。本文以某拱加勁連續剛構橋為例，并采用非線性時程反應分析方法在地震作用下對粘滯阻尼器進行減震研究。

1 粘滯阻尼器工作原理及理論分析

粘滯阻尼器由缸體、活塞、阻尼介質、關節軸承等部件和材料構成，其核心部分是一個液壓裝置。圖1為粘滯阻尼器的剖面圖。結構在地震力的作用下，粘滯阻尼器的活塞受到活塞桿的推力產生往復運動，活塞運動產生的壓力差迫使阻尼介質通過阻尼孔，由此產生阻尼力，從而達到減小橋梁振動的目的。

國內外許多專家根據不同的情況提出了一系列合理的粘滯阻尼器分析計算模型。常用的有線性模型、Maxwell模型、Kelvin模型、Wiechert模型、分數導數模型、有限元模型、標準線性固體模型等。

本文中粘滯阻尼器采用Maxwell模型進行分析，其恢復力表達式為：

(1)

2 有限元模型

利用大型有限元軟件MIDAS/CIVIL建立全橋空間有限元模型，跨度為93 m+200 m+93 m的拱加勁連續剛構雙線鐵路橋，橋梁模型吊桿采用桁架單元建立，其余部分采用梁單元，全橋離散為46個桁架單元，378個梁單元。有限元模型如圖2所示。

2.1地震波的選取

對橋梁進行一致激勵地震反應分析，在兩個主墩底同時輸入相同地震波。地震動輸入沿橋的縱向輸入。橋梁結構的阻尼比取0.05。測區地震動峰值加速度為0.20g，測區為Ⅱ類場地，特征周期分區為三區，地震動反應譜特征周期為0.45 s。本文選擇EI-Centro波作為設計地震波，如圖3所示。

2.2粘滯阻尼器布設方案

在地震作用過程中，要充分發揮粘滯阻尼器的耗能減震作用，應當將阻尼器安裝在橋梁最大相對位移處。由于本橋1號、2號主墩均與梁體剛接，二者之間無相對位移，因此不能在主墩和主梁之間加設阻尼器。考慮到0號橋臺、3號過渡墩與梁體之間相對位移最大，因此，分別在0號橋臺、3號過渡墩與梁體之間布設1組粘滯阻尼器,如圖4所示(從左往右分別是0號～3號墩)。

3 參數敏感性分析及減震效果分析

3.1參數敏感性分析

根據拱加勁連續剛構橋的受力特點并結合相關研究成果，本文將阻尼指數的取值范圍設定在0.4～0.8之間，阻尼系數C的取值范圍設定在2 000 kN/(m/s)2～6 000 kN/(m/s)2之間。參數分析工況劃分見表1。

表1 粘滯阻尼器參數分析工況

根據表1的參數分析工況，對拱加勁連續剛構橋進行非線性時程分析，得到墩頂彎矩與阻尼系數的關系曲線，如圖5所示。由于1號墩與2號墩內力變化規律相近，限于篇幅，本節僅對1號墩進行分析。從圖5可以看出，在C=4 000時，墩頂彎矩出現拐點，因此可初步確定阻尼系數C的取值為4 000。

圖6為阻尼系數對墩頂剪力值的影響曲線，設置阻尼器后，墩頂剪力顯著減小，當α>0.6時，剪力隨阻尼系數單調遞減；當α<0.6時，剪力先隨阻尼系數先單調遞減再趨于平穩。

圖7為阻尼系數對梁端位移的影響曲線，從圖7中可以看出：梁端相對位移基本隨阻尼系數的增大而減小。

3.2減震效果分析

根據上述參數敏感性分析，取C=4 000 kN/(m/s)0.6nα=0.6代入模型，分析粘滯阻尼器的減震效果。表2給出了設置粘滯阻尼器前后計算結果對比和減震效率，注：減震效率=(未設置阻尼器橋梁動力響應值-設置阻尼器后橋梁動力響應值)/未設置阻尼器橋梁動力響應值×100%。表2中僅給出1號墩墩頂動力響應值。

表2 粘滯阻尼器減震效率分析表

從表2中數據可知，安裝粘滯阻尼器后，橋梁地震響應得到有效控制：墩頂彎矩減小24.1%；墩頂剪力減小19.5%；梁端相對位移減小16.7%。

圖8～圖10為1號墩墩頂設置阻尼器和不設置阻尼器情況下位移與內力時程曲線，從圖中可以看出，設置粘滯阻尼器后，墩頂位移與內力均不同程度減小，橋墩的地震響應得到有效控制。

圖11為推薦參數阻尼器的滯回曲線圖，最大阻尼力約1 500 kN，考慮一定的富裕度，單個阻尼器的設計阻尼力可取2 000 kN。結合橋梁在其他靜力荷載作用下的靜位移并考慮一定的安全富裕度，可將阻尼器的沖程定為±100 mm。

4 結語

針對拱加勁連續剛構橋，建立了動力分析模型，對耗能減震理論進行了概述，介紹了粘滯阻尼器的構造和理論分析模型。建立了粘滯阻尼器數值分析模型，列出了粘滯阻尼器參數分析工況，在此基礎上對其進行了參數敏感性分析，得到一些結論：

1)綜合對比了1號墩墩頂截面的地震響應關于阻尼系數C和阻尼指數α的變化規律，最后分析表明得當阻尼參數為C=4 000 kN/(m/s)0.6nα=0.6時，結構反應最小。

2)設置阻尼器后，全橋縱向的地震響應得到了很好的控制，1號墩墩頂彎矩減小24.1%；墩頂剪力減小19.5%；梁端相對位移減小16.7%。經驗算，主墩承載力及基礎配筋均滿足要求。

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Eismicresponseanalysisofarchstiffeningcontinuousrigidframebridgeundershockabsorption

WuWei

(ChengduInvestmentsLtdofthe5thRailwaysGroupofChina,Meishan620562,China)

This paper takes the arch stiffening continuous rigid frame bridge as the engineering background, uses the finite element software MIDAS/CIVIL to establish the three-dimensional model, install viscous dampers, research how to choose viscous dampers and under seismic excitation, the damping effect of damping system by Maxwell model. The result of the bridge what install viscous dampers can reduce the effect of earthquake obviously.

arch stiffening continuous rigid frame bridge, viscous damper, shock mitigation system

1009-6825(2017)30-0165-03

2017-08-17

吳 畏(1974- )，男，工程師

U442.55

A