大跨度斜拉橋黏滯阻尼器設(shè)置位置優(yōu)化分析

從近年我國地震的共同特點(diǎn)來看，提高處于路網(wǎng)樞紐位置的大跨度橋梁抗震顯得尤其重要。實(shí)踐應(yīng)用中，在橋梁體系中設(shè)置阻尼器來延長結(jié)構(gòu)周期，減小主梁位移，提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震能力較為普遍。其中，非線性黏滯阻尼器以其力學(xué)性能明確、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)在所有減震裝置中占有重要地位，但是其在具有輔助墩，過渡墩的斜拉橋中，設(shè)置位置和數(shù)量還需進(jìn)一步研究。

斜拉橋概況

實(shí)驗(yàn)橋跨徑為（37+103+320+103+137）m的雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，半漂浮體系，在2個邊墩內(nèi)設(shè)置輔助墩，邊墩和輔助墩采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁基均按摩擦樁設(shè)計(jì)。索塔采用雙柱式變截面“H”形索塔，由上塔柱、中塔柱、下塔柱及橫梁組成，塔高為107.5m，橋跨、索塔布置如圖1所示。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造圖

計(jì)算模型

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的總體構(gòu)造布置并考慮相鄰聯(lián)的影響，采用魚脊梁模式建立橋梁結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，將橋面系的剛度及質(zhì)量都集中在中間節(jié)點(diǎn)上，通過三維梁單元模擬，節(jié)點(diǎn)和斜拉索之間采用剛臂連接。斜拉索考慮垂度效應(yīng)采用空間桁架單元進(jìn)行模擬。采用三維梁單元來模擬橋塔、輔助墩和過渡墩。采用黏滯耗能器單元模擬結(jié)構(gòu)構(gòu)件支座和黏滯阻尼器，如圖2所示。

圖2 動力分析模型

結(jié)構(gòu)的動力特性及地震輸入

根據(jù)工程場地地震安全性評價報(bào)告內(nèi)容，由未來50年超越概率為10%的場地地表水平峰值加速度值213（gal），按照《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》 (GB18306-2001)中有關(guān)地震動峰值加速度與烈度的對照表，得到場地地震基本烈度為Ⅷ度。

采用安評報(bào)告中提供的3組50年超越概率為10%的人工地震波來進(jìn)行地震反應(yīng)分析，并提取出地震波作用下橋梁關(guān)鍵部位的地震響應(yīng)值。由這些響應(yīng)值的大小來確定各阻尼器布置方案的減震效果。地震波豎向加速度取水平向加速度的2/3，從豎向和水平向兩個方向輸入。表1列出了橋梁的前十階自陣頻率及其相應(yīng)振型特點(diǎn)。圖3給出了結(jié)構(gòu)的振型圖（前四階振型圖）。

表1 結(jié)構(gòu)的動力特性分析結(jié)果

圖3 結(jié)構(gòu)的前四階振型

黏滯阻尼器設(shè)置位置的確定

該斜拉橋具有輔助墩和過渡墩，其阻尼器布置方案有下列3種：

方案一：僅在塔處布置阻尼器，每個塔處布置四個縱向阻尼器;

方案二：在塔處和輔助墩處布置縱向阻尼器，塔處布置四個，輔助墩處布置兩個;

方案三：在塔處和過渡墩處布置縱向阻尼器，塔處四個，過渡墩處兩個。

采用非線性時程分析法對這三種方案進(jìn)行了地震響應(yīng)分析，分別取C為2000，5000，8000和ξ為0.2，0.5，0.8共9種工況，進(jìn)行時稱分析。

表2 控制截面的內(nèi)力和位移

提取結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面的位移、剪力以及彎矩。為了便于分析與比較，現(xiàn)列出C=2000，ξ=0.2時三種方案關(guān)鍵截面的地震響應(yīng)值及其減震效果，如表2所示。

由表2可以得出，在塔處設(shè)置阻尼器主梁跨中縱向位移可以降低40%～50%，可以起到良好的減震效果，方案二和方案三的減震效果要比方案一更好，僅位移就可以再降低15%左右。然而，比較方案二和方案三，可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的位移及彎矩和剪力沒有多大差別，考慮到過渡墩處情況復(fù)雜，安裝阻尼器比較困難，因此采取第二種方案，在輔助墩以及橋塔處設(shè)置阻尼器。

結(jié)語

本文以某斜拉橋縱向設(shè)置黏滯阻尼器為例，設(shè)置三種不同的黏滯阻尼器布置方案，通過比較三種方案下關(guān)鍵截面處的地震響應(yīng)值，以及考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)造上的要求，最后選定方案二為最佳布置方案，即在塔處和輔助墩處布置縱向阻尼器，塔處布置四個，輔助墩處布置兩個。