黏滯阻尼器對某斜拉橋地震響應影響規律研究

李德富

（中交遠洲交通科技集團有限公司 山西分公司，山西 太原 030006）

0 引言

地震是一種較為常見的地質運動，其出現的規律及地點分布具有較強的隨機性，與地質構造有著密切的聯系。產生地震的主要原因可分為：火山地震、陷落地震、構造地震、誘發地震[1]。斜拉橋是一種由橋塔、主梁、斜拉索3種構件組成的橋梁結構體系[2]，其中橋塔主要承擔壓應力，主梁承擔彎矩，斜拉索承擔拉應力[3]。由于地震災害既不可避免，又較難預測，因此對橋梁結構造成了眾多損害。鑒于地震對橋梁結構的強大破壞性，給橋梁增加減隔震保護系統來減輕地震帶來的損害，是一種較為合理、可行的方案。

黏滯阻尼器在我國橋梁工程領域得到了廣泛應用，例如寧波甬江特大橋安裝了8個黏滯阻尼器[4]，該黏滯阻尼器安裝于橋面與橫梁之間，其主要作用是降低橋梁結構的地震響應[5]，以此減輕地震帶來的影響。

本文以某斜拉橋為依托，建立了Midas Civil有限元模型，考慮了不設置阻尼器、主塔布置阻尼器、主塔+輔助墩1布置阻尼器、主塔+輔助墩2布置阻尼器、主塔+輔助墩3布置阻尼器5種工況，對各工況下的模型進行了地震波時程分析，分析了黏滯阻尼器對該橋梁地震作用下的結構響應影響。

1 工程概況

該依托工程主橋橋跨布置為：（70+70+70+658+70+70+70）m，全長1 108 m，為雙塔雙索面半漂浮體系斜拉橋，橋面布置如圖1所示。

圖1 橋梁立面布置圖（單位：m）

該橋梁結構類型為混合梁斜拉橋，西側邊跨及東側大堤外邊跨采用重量大、便于支架法施工的混凝土箱梁結構；由于主跨位于水中及東側跨大堤孔受跨徑限制，所以采用了重量輕、便于懸臂拼裝施工的鋼箱梁。西側鋼混結合面設置在跨中段距索塔14.75 m處，東側鋼混結合面設置在次邊跨段距輔助墩9.85 m處，西邊跨混凝土箱梁總長度為223.59 m，鋼箱梁總長度733.4 m，東邊跨混凝土箱梁總長度為148.69 m。

該橋梁的主要設計標準如下：

a）道路等級 城市主干道；

b）設計車速 60 km/h；

c）設計荷載 城市 A級；道路荷載標準：BZZ-100標準車；人群荷載；

d）車道寬度 雙向六車道，車道寬（3.5+3.5+3.5）m；非機動車道3.5 m（含護欄）；人行道2 m（含護欄）；

e）橋梁設計基準期 100年；

f）橋梁設計使用年限 100年；

g）橋梁安全等級 一級；

h）通航凈空 單孔雙向通航孔，凈高10 m，凈寬150 m，最高通航水位40.28 m；

i）抗風設計 運營階段設計重現期100年，施工階段設計重現期30年；

j）抗震設計 地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應譜特征周期為0.35 s；

k）設計洪水頻率 300年一遇，設計水位42.81 m；

l）坐標系統 湘潭市獨立坐標系；

m）高程系統 1985國家高程系統。

2 有限元模型的建立

2.1 實體模型

建立全橋三維空間有限元計算模型，全橋模型如圖2所示。建立空間模型時所采用的整體坐標系為：順橋向為X軸方向，其正向指向東岸（大里程側）；橫橋向為Y軸方向，其正向為順流方向；豎向為Z軸方向，向上為正，水平坐標原點位于主橋跨中中軸線處，高程0點與兩階段施工圖設計一致。按有限位移理論，采用通用有限元分析軟件Midas進行全橋空間結構非線性分析。全橋空間結構模型中共用了887個節點，704個單元，其中斜拉索單元168個，梁單元536個；彈性連接34個，剛性連接21個，截面類型共有72種。

圖2 全橋結構離散圖

2.2 黏滯阻尼器

缸式黏滯阻尼器主體是由缸體、活塞、活塞桿和內部黏滯流體組成，外部結構可通過活塞桿帶動活塞進行移動，但內部黏滯材料對活塞運動造成阻力，最終使得橋梁結構承擔的地震阻力轉換為缸體內能。

式中：F表示阻尼力；C表示阻尼系數；V表示活塞與缸體的相對速度；a表示指數，其常用值范圍在0.3～1.0之內。

當橋梁的減隔震阻尼器安裝于橋梁中時，其支撐作用僅在橋梁承受較大地震荷載時才發揮，從而達到減隔震的作用，當橋梁承擔靜力荷載時，阻尼器并不參與工作。本節在左側、右側主塔與主梁連接處各添加縱向黏滯阻尼器，黏滯阻尼器的阻尼系數取值為2 000 kN/(m/s)a，阻尼指數取值為0.3。

2.3 黏滯阻尼器布置方案

為研究有無阻尼器對橋梁在地震作用下的結構響應影響，本文選取以下4種黏滯阻尼器布置方案：

a）方案一 主塔與主梁（墩梁連接處）布置豎向阻尼器。

b）方案二 主塔+輔助墩1（墩梁連接處）布置豎向阻尼器。

c）方案三 主塔+輔助墩2（墩梁連接處）布置豎向阻尼器。

d）方案四 主塔+輔助墩3（墩梁連接處）布置豎向阻尼器。

注：如圖1所示，輔助墩1、輔助墩2、輔助墩3表示距主塔由遠到近的橋墩。

2.4 地震波的模擬

E1、E2地震波的模擬如圖3所示。

圖3 地震波

3 計算結果分析

3.1 靜力計算結果

對該模型添加設計荷載，在不考慮阻尼器的情況下，對其成橋狀態進行分析。橋梁成橋狀態主梁彎矩計算結果如圖4a所示，活載作用下主梁最大撓度如圖4b所示。由圖4可以得知：

圖4 靜力計算結果

a）橋梁成橋狀態下最大正彎矩出現在橋塔主梁處，橋塔處主梁最大正彎矩為328 541 kN·m，橋梁跨中截面最大負彎矩數值為-198 000 kN·m。

b）在橋塔處主梁最大變形值為-20 mm，橋梁主梁跨中截面最大位移值為-51.8 mm。

3.2 無阻尼器狀態下地震時程分析

橋梁在地震荷載兩類工況作用下的主跨跨中截面時程分析結果如圖5所示，圖中橫坐標表示時間參數，時間統一為52 s，縱坐標為主梁跨中截面參數值。

圖5 無阻尼狀態下橋梁地震時程分析結果

a）主梁跨中時程位移值范圍為-1.3 m～+1.1 m。

b）主梁跨中彎矩時程范圍為-100 013.4 kN·m～+100 033.7 kN·m。

注：“豎向+縱向”工況表示地震荷載沿著縱向和豎向兩個方向作用于橋梁；“豎向+橫向”工況表示地震荷載沿著橫向和豎向兩個方向作用于橋梁。

3.3 參數分析

提取跨中截面位移、加速度、速度值、彎矩值，主塔塔頂位移、軸力時程計算結果的峰值參數如圖6所示，可知：

圖6 不同縱向黏滯阻尼器時程計算結果峰值參數對比

a）方案二、方案三、方案四位移分別為主塔布置阻尼器方案的98.1%、96.5%、96.2%，增設阻尼器后可減小跨中截面位移值。

b）方案二、方案三、方案四的跨中截面加速度分別為主塔布置阻尼器方案的98.9%、98.5%、98.5%，增設阻尼器后可減小跨中截面加速度值。

c）方案二、方案三、方案四的跨中截面速度分別為主塔布置阻尼器方案的98.8%、97.5%、96.8%，增設阻尼器后可減小跨中截面速度值。

d）方案二、方案三、方案四的跨中截面彎矩值分別為主塔布置阻尼器方案的99.3%、98.5%、97.8%，增設阻尼器后可減小跨中截面彎矩值。

e）方案二、方案三、方案四的塔頂位移分別為主塔布置阻尼器方案塔頂位移值的97.6%、98.1%、97.8%，增設阻尼器后可減小跨中截面塔頂位移值。

f）方案二、方案三、方案四的塔頂軸力分別為主塔布置阻尼器方案塔頂軸力值的98.9%、97.8%、97.2%，增設阻尼器后可減小跨中截面塔頂軸力值。

4 結語

本文以某斜拉橋為依托，建立Midas Civil有限元模型，分析了黏滯阻尼器對該橋梁在地震作用下的結構響應，最終得到以下結論：

a）橋梁成橋狀態下橋塔處主梁最大正彎矩為328 541 kN·m，橋梁跨中截面最大負彎矩數值為-543 977 kN·m，在橋塔處主梁最大變形值為-20 mm，橋梁主梁跨中截面最大位移值為-51.8 mm。

b）當在橋梁輔助墩上添加縱向黏滯阻尼器后，橋梁的各項結構動力性能雖然在一定程度上有所降低，但并不顯著。

c）綜合考慮經濟性等因素，主塔布置阻尼器的方案仍為該橋的最佳阻尼器布置方案。