影響橋梁支座減振性能的參數(shù)分析

張 銳， 鄭連綱， 王新軍， 盧喜豐， 白曉明， 江小州

(中國核動力研究設計院核反應堆系統(tǒng)設計技術重點實驗室， 四川成都 610213)

影響建筑物地震反應的兩個重要因素，即結構的周期和阻尼比[1]。非隔振低層普通建筑物具有剛度大、周期短的特性，而地震能量輸入最大的頻段正好包含其基本周期，所以普通非隔振建筑物在遇到地震能量傳入時，上部結構的振動反應(加速度、速度、位移等)相較于地面運動有所放大。因此，現(xiàn)代隔振技術抓住這一核心，保持結構阻尼不變，延長建筑物的自振周期，則加速度反應會大幅降低，同理，通過增大結構的阻尼，加速度的反應將會繼續(xù)降低，具體原理如圖1所示。也就是說，設計隔振結構時通過延長其自振周期并增大結構的阻尼能夠減小能量傳入上部結構的加速度反應，上部結構在地震能量傳入過程中會出現(xiàn)類似剛體的平動，能夠大大提高上部結構的安全性。

圖1 減振原理示意

1 參數(shù)確定

1.1 形狀系數(shù)特性

第一形狀系數(shù)S1和第二形狀系數(shù)S2是兩個重要的技術參數(shù)，對其進行控制變量分析，達到調(diào)控鋅鋁合金支座的承載能力和變形能力[2]。在混凝土橋梁高載荷要求的前提下，可控的承載能力和變形能力有助于鋅鋁合金支座有效地應用于橋梁減振系統(tǒng)設計[3]。第一形狀系數(shù)計算公式為：

(1)

其中圓形支座的第一形狀參數(shù)表達式為：

(2)

矩形支座的第一形狀參數(shù)表達式為：

(3)

式中：d0代表的是加勁鋼板的外徑，di代表加勁鋼板的開孔直徑，tr代表單層合金的厚度，a代表加勁鋼板的縱向長度，b代表加勁鋼板的橫向長度。

第二形狀系數(shù)參數(shù)計算公式為：

(4)

圓形支座的第二形狀參數(shù)表達式為：

(5)

矩形支座的第二形狀參數(shù)表達式為：

(6)

式中：Tr代表合金層厚度，且Tr=n×t，n為合金材料的總層數(shù)。

1.2 支座參數(shù)設計

嘗試將鋅鋁合金支座應用于鋼結構橋梁減振系統(tǒng)設計[4]，外載荷考慮特定環(huán)境地震波輸入，通過分析地震工況下橋梁系統(tǒng)的響應參數(shù)，研究其在有隔振支座結構中和沒有隔振支座的結構中關鍵參數(shù)的橫向比較，以此來總結鋅鋁合金支座在橋梁結構中的隔振效果。

由參考文獻[5]可知，鋅鋁合金支座的減振層厚度與減振性能的關系如圖2所示，鋅鋁合金材料阻尼比如表1所示，本文橋梁模型的幾何尺寸將依據(jù)該結論來指導設計方案。支座結構幾何尺寸如表2所示，對應的支座性能參數(shù)如表3所示。

表1 Zn Al-27材料阻尼比

圖2 力傳遞率曲線

表2 支座模型幾何尺寸

表3 支座性能參數(shù)

2 結構模態(tài)分析

運用大型有限元計算軟件ANSYS[6]對橋梁結構進行簡化建模處理并進行相應的模態(tài)分析，簡化模型如圖3所示，通過得到橋梁系統(tǒng)在有支座和沒有支座的結構狀態(tài)下的結構自振周期以及振型，我們可以從上文減振原理為基礎，探究該鋅鋁合金支座是否滿足延長橋梁系統(tǒng)自振周期的功效。本文對隔振系統(tǒng)與非隔振系統(tǒng)分別進行模態(tài)計算并提取各自的前三階振型模態(tài)進行對比分析，兩種系統(tǒng)的自振頻率如表4所示，對應的振型模態(tài)如圖4至圖9所示。

圖3 支座平面布置

振型序號非隔振結構隔振結構10.3472220.69205520.294820.55930930.2617470.486523

圖4 非隔振結構一階振型

圖5 非隔振結構二階振型

圖6 非隔振結構三階振型

圖7 隔振結構一階振型

圖8 隔振結構二階振型

圖9 隔振結構三階振型

由表4可知，設計考慮鋅鋁合金支座的橋梁系統(tǒng)其各階自振周期均大于普通橋梁系統(tǒng)，結合上述結構隔振原理進行分析，通過安裝鋅鋁合金支座使系統(tǒng)上部結構自振周期有效延長，合理的遠離了當下環(huán)境的卓越周期，能夠有效地減少地震激勵對橋梁系統(tǒng)的破壞能力。原始的橋梁系統(tǒng)，對抗地震能量的主要方法是依靠上部結構的彈塑性變形對地震能量進行耗散，對于橋梁系統(tǒng)本身來說破壞巨大，而加入鋅鋁合金支座以后，耗散地震能量的手段主要是通過鋅鋁合金支座的阻尼變形，將地震能量轉(zhuǎn)化為熱能進行耗散，從而有效的減弱了橋梁上部結構彈塑性變形的幅度。為了進一步證實上述分析，下面設計橋梁系統(tǒng)動力計算進行完善分析。

3 結構動力計算

本節(jié)設計橋梁系統(tǒng)的動力響應分析，引入模擬分析時常用的地震波， EL-CENTRO地震波的其中一段作為地震激勵，相應的加速度時程曲線如圖10所示。

圖10 地震加速度時程

本文模擬橋梁系統(tǒng)受到地震激勵影響的有限元模型時，考慮下述兩種地震模擬方法，能夠準確、簡便的模擬地震時程曲線：

(1)大質(zhì)量法，建立不包含大質(zhì)量點的結構模型，施加正常的約束和重力加速度，求出結構的靜力解；在原有模型的基礎底部節(jié)點上附屬很大的質(zhì)量(附屬質(zhì)量可取結構質(zhì)量的1E6倍，附屬質(zhì)量并不是越大越好)，隨后釋放基底在激勵方向的自由度，結構處于漂浮狀態(tài)，將靜力分析時所得到的基底反力施加在基底的相應位置，利用質(zhì)量單元MASS21來帶動結構的響應；將加速度時程乘以大質(zhì)量點的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為慣性力施加到相應的大質(zhì)量點上，需要注意的是，所施加的加速度時程應當經(jīng)過基線調(diào)整，保證積分后位移為零且速度為零，否則結構會產(chǎn)生漂移現(xiàn)象。

(2)大位移法，同樣是釋放施加地震載荷方向的約束，在基底節(jié)點上加一個大剛度(combin單元)，單元剛度相對于結構剛度大許多，然后將地震位移載荷轉(zhuǎn)化為力的時程施加在基底大位移點處。

本文分析橋梁地震動力時，將橋梁關鍵節(jié)點處的加速度響應納入地震動力響應考量，分別對隔振與非隔振系統(tǒng)施加0.35 m/s2的EL-CENTRO地震波輸入，采用大位移法的思路進行有限元模擬分析，將地震加速度載荷輸入等效為位移載荷施加于支撐位置，計算后提取地震波載荷作用下橋梁關鍵節(jié)點的加速度峰值進行對比(表5)。橫向比較有無隔振支座時橋梁系統(tǒng)最危險部位加速度響應曲線(圖11)。

表5 加速度峰值 m/s2

圖11 橋梁跨中加速度響應

從上述圖表可以看出，在普通橋梁系統(tǒng)的1/4、1/2、3/4處選取的關鍵節(jié)點，其最大加速度響應幅值分別為0.364 2 m/s2、0.528 7 m/s2、0.364 1 m/s2，而設計了鋅鋁合金支座的橋梁系統(tǒng)，其上述位置的最大加速度響應幅值分別為0.315 9 m/s2、0.341 5 m/s2、0.316 2 m/s2，對比發(fā)現(xiàn)，設計抗振結構能有效減小橋梁最大加速度響應幅值，且縱觀整個加速度響應譜，隔振系統(tǒng)在整個激振時域中的動力響應相較非隔振系統(tǒng)更為平緩，能有效地減少橋梁結構的彈塑性變形。

4 結論

本文設計了針對簡支鋼結構橋梁的地震波模擬實驗，分析鋅鋁合金支座應用到橋梁系統(tǒng)的隔振支座上的效果。考慮支座設計參數(shù)影響其減振性能為切入點，分析了隔振系統(tǒng) 與非隔振系統(tǒng)的振型模態(tài)及固有周期，結果顯示該設計參數(shù)下的鋅鋁合金支座能有效改變橋梁系統(tǒng)的固有周期，使其固有頻率遠離地震卓越載荷，并且引入地震波進行隔振效果分析，結果顯示該設計參數(shù)下的隔振系統(tǒng)能有效降低其加速度響應峰值，平緩加速度曲線波動程度，達到良好的隔振效果。