阻尼器損傷對橋梁響應影響的參數研究

姜鵬

摘要：隨著經濟的發展和科技水平的提高，建筑結構的設計和建造趨向超高、大跨等高難度結構。面對更加苛刻的結構需求，剛度和阻尼不斷降低，建筑對外部荷載的敏感性更高，這就推進了結構振動控制技術的廣泛應用，以便保證結構的安全性和舒適性。其中，黏滯阻尼器以其優良的性能成為許多建筑控制的首選，但因為其自身構造原因，黏滯阻尼器普遍存在漏液問題，所以，黏滯阻尼器損傷對結構振動控制的影響是一個極具現實意義和研究價值的重要課題。本文建立了黏滯阻尼器計算模型，并引入非線性間隙單元用以模擬阻尼器損傷，通過與試驗結果對比，選定了模擬參數，模型對不同損傷程度的阻尼器均能有效描述其滯回性能。

關鍵詞：動力時程分析;阻尼器損傷;數值模

中圖分類號：TP3? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）17-0252-06

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本文針對黏滯阻尼器泄漏對于結構整體響應的影響進行了參數化研究。本研究中損壞的阻尼器位置為橋塔處。考慮不同的工況下阻尼器退化對結構響應的影響如：裂縫長度的變化，對稱和非對稱的損傷分布和不同的地震動輸入等。

實際工程中阻尼器的損壞多為罐體泄漏，為模擬這種損傷，在模型中人為地加入裂縫。定義了一系列漸進損傷，裂縫程度分別等于裝置最大工作行程的25%、50%、75%和100%。100%損壞的阻尼器的結構響應等于阻尼器非工作狀態（C=0和K=0）下的響應。

以北嶺地震為激勵，模擬了主塔處完全損傷阻尼器的相對位移時程，其最大位移為116mm，由圖1給出。其他損傷程度對應的最大位移分別為：30.5mm（25%），58.4mm（50%），88.9mm（75%）。

1 環境振動分析

環境振動分析以能夠產生與正常交通條件相同效果白噪聲為激勵。如前所述，在模擬阻尼器的響應的滯回曲線時，設備中的損傷被模擬為裂縫。為模擬不同的損傷程度，定義了四個損傷等級，分別對應裂縫長度為25%、50%、75%和100%的裝置最大行程。最大的損傷等級相當于裂縫貫穿阻尼器缸體，結構在100%等級損傷的阻尼器控制下的響應相當于沒有阻尼器控制的結構響應。損傷的阻尼器分為兩種，分別連接主跨和邊跨。

1.1 位移影響分析

連接主跨的阻尼器的最大相對位移為24.9mm，其他三種損傷程度依次為6.1mm（25%），12.5mm（50%）和18.8mm（75%）。同樣的，對于邊跨，阻尼器最大相對位移為95.5mm，相應的其他三種損傷程度依次為24.8（25%），47.8（50%），71.6（75%）。

為研究黏滯阻尼器損傷對于結構位移響應的影響，在橋梁有限元模型中選取了4個典型節點進行研究，如圖2所示，它們分別為：

1. 主跨的中點，節點號為298。

2. 邊跨的中點，節點號為232，2164。

3. 橋塔頂點，節點號為11392。

數值模擬結果如表1所示。可以看出，主跨中點（298）沿橋縱向的位移受阻尼器損傷影響較大。圖3-圖5給出298節點和11392節點在不同損傷工況下的位移時程曲線。

由以上模擬結果可以看出，由于阻尼器損傷導致的結構位移響應差異僅在跨中位置的縱橋向比較明顯。僅x方向對阻尼器損傷敏感的結果說明受阻尼器損傷影響最大的振型為第二階振型和第六階振型（圖1和圖3）。

如前所述，模擬損傷的黏滯阻尼器設置在橋塔處，分為連接主跨和邊跨兩種，分別以節點250和節點1848的位移表征其工作行程。當阻尼器發生損傷時，阻尼器行程發生明顯變化。尤其連接主跨的阻尼器，其100%損傷時的位移超過未損傷位移的兩倍;連接邊跨的阻尼器其損傷后阻尼器行程為未損傷時的120%。

1.2 阻尼器最大出力分析

分別模擬了連接主跨的阻尼器出力和兩側邊跨的阻尼器出力峰值，結果如表2及圖6-圖9所示。

結果表明，當阻尼器受到裂縫的破壞時，峰值力會更高。其原因在于，當黏滯阻尼器受到損傷，其對橋面板運動的約束降低，則阻尼器的工作變形速度會變高，出力變大。圖10精確地顯示了由于阻尼器損傷運行速度增大而產生阻尼力峰值的情況。

2.1 引言

為研究黏滯阻尼器泄漏對結構在真實地震激勵下的控制效果的影響，采用1994年的Northridge波（里氏6.7級）作為激勵輸入。圖11、圖12和圖13分別給出Northridge波三個方向分量，前20秒的加速度時程。

2.2 位移影響分析

如前所述，黏滯阻尼器中的損傷建模為其滯回曲線中的缺損。為了模擬這種損傷，人為地在模型中加入了縫隙。定義了四個損傷等級，其裂縫長度分別對應阻尼器工作行程的25%、50%、75%和100%。100%損壞的阻尼器的對應的結構響應等于無控結構的響應。

發生損傷的阻尼器有兩種，分別將橋塔與主跨和邊跨連接起來，稱為主塔阻尼器和側塔阻尼器。

以Northridge地震波為激勵，對地震中帶損傷的主塔阻尼器的最大相對位移進行了計算，其中阻尼器的損傷程度為100%。圖16為受損黏滯阻尼器工作變形時程，其最大伸長量為116.8mm。其他損傷等級對應的最大伸長量分別為：30.5mm（25%），58.4mm（50%），88.9mm（75%）。

對側塔阻尼器進行相同的分析，100%損傷對應的最大相對位移為55.9mm，相應的，其他三種損傷等級對應的最大位移分別為15.2mm（25%），27.9mm（50%），43.2mm（75%）。

為研究黏滯阻尼器損傷對于結構位移響應的影響，在橋梁有限元模型中選取了4個典型節點進行研究，如圖所示，它們分別為：

1. 主跨的中點，節點號為298。

2. 邊跨的中點，節點號為232，2164。

3. 橋塔頂點，節點號為11392。

數值模擬結果如表3所示。

圖17、圖18和圖19分別為x、y、z方向，各節點在不同損傷工況下峰值位移。可以看出，唯一受阻尼器損傷影響較明顯的為主跨中點（298）沿橋縱向的位移受。不同損傷程度的最大位移差距達到60%。邊跨的豎向位移受損傷影響程度最大為15%。而橋塔頂端的位移幾乎不受阻尼器損傷的影響（最大差距為5%）。

圖20到圖21為跨中節點在不同損傷程度下的各方向位移時程。如圖20所示，由于阻尼器的損壞而引起的位移僅沿著縱橋方向差異顯著。另外，在側跨跨中（節點232）的豎向位移和塔頂（節點11392）的縱橋向位移中可以看到較小的差異。

2.3 阻尼器變形和出力分析

主塔阻尼器和邊塔的變形分別由節點250和節點1848位移表征，二者時程如圖25和圖26所示。由圖可見，主塔阻尼器最大損傷等級對應的位移峰值為未損傷時的4.5倍，側塔阻尼器損傷位移峰值與未損傷位移峰值之比為2。

不同損傷程度下，兩種阻尼器的最大行程如圖27和圖28所示。圖中對角線表示裂縫長度，所以數值條紅色部分代表有效工作行程，從圖中能夠看出，隨著裂縫增大，有效行程減小，即耗散能量降低。

從以上模擬結果可以看出，一個非破壞性的Northridge波對阻尼器激發比橋梁正常的交通荷載更大。然而，在Northridge波激勵下的阻尼器行程只有是17.3mm，這樣微小的變形對整個結構的能量吸收的影響非常小。可見，安裝黏滯阻尼器對橋梁結構的正常使用狀態和中小地震中的響應影響不大。

在有限元模型中，阻尼力由連接阻尼單元的監測器單元給出，分別模擬了主塔阻尼器和側塔架阻尼器兩側的阻尼力，結果如表4所示。

圖29和圖30為Northridge波激勵下，主塔阻尼器和側塔阻尼器在各個損傷等級下的出力時程。從圖中可以看出，隨著阻尼器損傷程度增加，阻尼力呈現先增后減的規律，與之前論述結果相符。當主塔阻尼器損傷為25%時，其出力值相比未損傷時增加一倍。

【通聯編輯：梁書】