黏滯阻尼器在半漂浮體系斜拉橋上的應用及參數優化

2021-07-27 03:02:32海航

工程與建設 2021年2期

海航

(合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽合肥 230009)

0 引言

斜拉橋由梁、塔索和墩的不同組合構成了四種不同的體系結構:塔梁固結、半漂浮、漂浮和鋼構。其中,半漂浮體系斜拉橋受溫度和徐變影響較小,有利于減震耗能,因此在大跨徑斜拉橋中應用廣泛[1,2]。研究表明，主塔抗震薄弱部位常位于塔底,一旦進入塑性狀態,塔頂位移很大,難以繼續使用;在縱橋向,大跨徑半漂浮體系斜拉橋在強震作用下梁端會產生較大縱向位移,引發主梁與相鄰跨引橋的碰撞,造成災害。為同時防止落梁震害并保持橋塔處于彈性狀態,最常用的做法是增設縱向黏滯阻尼器[3，4]。

1 工程背景與分析模型

1.1 工程概況

某大橋采用非對稱雙塔鋼箱梁雙索面斜拉橋,跨徑布置為(100+225+105) m=430 m,標準橫斷面寬度為46 m,主梁采用PK箱型斷面,橫隔板間距3 m;塔柱采用帶X撐H型C50混凝土橋塔,高82.45 m,主跨及邊跨均設置11對斜拉索,主跨及邊跨鋼梁側斜拉索梁上標準索距為9 m,斜拉索采用標準強度1 860 MPa鋼絞線體系;兩側過渡墩均采用三柱式橋墩,塔柱及橋墩采用承臺接群樁基礎,樁基采用鉆孔灌注樁,按摩擦樁設計。

1.2 有限元模型

本文采用SAP2000軟件建立如圖1所示的全橋三維結構分析動力模型,主梁、橋塔以及過渡墩均采用空間梁單元模擬,斜拉索采用只考慮受拉桁架單元模擬并根據成橋索力對斜拉索的材料彈性模量進行Ernst修正;主橋采用半漂浮體系結構,支座布置如圖2所示。

圖1 全橋動力分析模型

圖2 支座布置圖

樁土共同作用是采用在承臺底加6個方向的彈簧來模擬樁基礎的作用,彈簧的剛度根據樁基礎所在土層的狀況和樁的布置形式按靜力等效原則確定,由土層資料確定m值。

1.3 地震波的選擇與輸入

根據《公路橋梁抗震設計細則》(JTG/T B02-01-2008)[5](以下簡稱細則)第5.2.1款,水平設計加速度反應譜可由式1確定:

(1)

本文采用7條E2人工地震波用于分析,人工地震波反應譜與設計反應譜匹配情況如圖3所示,分析結果取7條波的平均值來考慮以消除誤差,在非線性時程分析時,采用縱向+豎向的地震輸入方式,其中豎向地震根據細則采用水平地震折減的方式獲得。

圖3 人工地震波與設計反應譜匹配

2 計算結果分析

2.1 阻尼器的應用效果分析

本橋在縱橋向為半漂浮體系結構,在主梁與橋塔交界處設置縱向黏滯阻尼器能夠限制主梁位移,并降低截面的地震響應。本文分析了有阻尼器和無阻尼器兩種工況,有阻尼器是在塔梁交界處分別設置2個縱向黏滯阻尼器,對比有無阻尼器時關鍵部位位移和內力。

縱向黏滯阻尼器采用基于Maxwell非線性力學模型的Damper單元來模擬其力學特性,力學本構關系為:

F=C|v|asgn(v)

(2)

式中:C為阻尼系數;v為活塞運動速度;α為阻尼指數。

阻尼器參數取阻尼系數為1 500 kN/(m/s)和阻尼指數為0.3用于分析對比。本文重點以2個橋塔底南北兩側截面為內力分析對象，以2個橋塔頂點為位移分析對象，計算結果見表1和表2。

表1 塔底截面內力對比

表2 塔頂節點位移對比

由表1和表2可知,在E2縱向+豎向地震作用下,2#橋塔無論是塔頂節點位移還是塔底截面內力均比1#橋塔大,因此2#橋塔應為最不利部位。布置縱向黏滯阻尼器能夠明顯降低橋塔底截面內力和塔頂節點的縱橋向位移,其中塔底截面剪力最大能減少31.47%;塔底截面彎矩最大能減少37.20%;塔頂節點縱橋向位移最大能降低59.96%。因此,布置縱向黏滯阻尼器對橋塔內力和位移響應的減震效果非常明顯。

2.2 阻尼器參數優化分析

由上式(2)可知,阻尼常數C和阻尼指數α對阻尼器減隔震效果影響最大。為進一步優化阻尼器減隔震效果,本文選取阻尼系數C范圍為100～8 000 kN/(m/s);阻尼指數α分別為0.3、0.5和0.8。隨著縱向黏滯阻尼器參數的變化,關鍵部位的位移和內力呈現出規律變化。

如圖4所示,當阻尼指數α一定時,橋塔塔頂節點位移隨阻尼系數C的增大而增加,但當阻尼系數C增大到500 kN/(m/s)后,阻尼系數對塔頂位移的影響逐漸變小;當阻尼系數C不變時,阻尼指數α越小則塔頂節點位移越小,減隔震效果越顯著。

圖4 阻尼參數對塔頂節點位移的影響

如圖5所示,2#橋塔塔底彎矩始終比1#橋塔塔底彎矩大;當α=0.3時,塔底彎矩隨阻尼系數先減小,在阻尼系數增大到300 kN/(m/s)后,塔底截面彎矩逐漸增大;當α=0.5時,塔底彎矩隨阻尼系數先減小,在阻尼系數增大到5 000 kN/(m/s)后,塔底截面彎矩逐漸增大;當α=0.8時,塔底截面彎矩隨阻尼系數的增大而一直減小。