粘滯阻尼器對加勁梁帶外伸跨懸索橋的減震分析

馬政輝MA Zheng-hui；矣志勇YI Zhi-yong；龔旺GONG Wang；丁開DING Kai

（云南省交通規劃設計研究院有限公司，昆明 650011）

0 引言

懸索橋是一種大跨度柔性結構，對風、地震等動力作用較為敏感，在地震作用下橋塔和加勁梁易產生較大的內力位移響應，強大的地震作用可能造成結構損傷和破壞，在塔、梁間設置粘滯阻尼器是一種有效且常用的減小加勁梁縱向地震位移的措施[1，2]，而粘滯阻尼器的減震效果取決于阻尼器的布置位置和阻尼器的阻尼系數和速度指數。

目前，國內較多學者基于粘滯阻尼器對大跨度懸索橋的減震展開了一系列的研究。權新蕊[3]等以某近活動斷裂帶的懸索橋為研究對象，進行了粘滯阻尼器減震優化設計，優化后的阻尼器可有效限制加勁梁在地震作用下的縱向位移。江輝[4]等以某“V”型峽谷大跨度懸索橋為背景進行了該橋的抗震性能和減震研究，研究表明在塔梁連接處設置粘滯阻尼器可使主塔彎矩、剪力及梁端位移降低14%~70%不等。盧長炯[5]等通過時程分析法計算了某公路懸索橋重點部位的地震位移響應，分析了阻尼器主要技術參數對該橋地震位移響應的影響規律。郭志明[6]以南京仙新路懸索橋為背景，研究縱向抗震體系，認為粘滯阻尼器減震效果遠比柔性中央扣好，粘滯阻尼器的參數應綜合考慮靜力和地震響應優化確定。石瑤[7]研究了設置粘滯阻尼器懸索橋的地震響應，結果表明阻尼器可明顯改善橋塔的受力情況。

既有文獻很少有針對加勁梁帶外伸跨懸索橋縱向減震的研究，鑒于此，本文以某加勁梁帶外伸跨的大跨度懸索橋為研究對象，進行動力計算，分析該類型懸索橋粘滯阻尼器的合理布置位置以及阻尼器參數對地震內力位移響應的影響規律。

1 工程背景

某加勁梁帶外伸跨的鋼桁梁懸索橋，主纜分跨布置為：260+1060+260m，主纜采用空間纜形式，塔上主纜橫向間距40m，跨中橫向間距30m，成橋狀態矢跨比為1/9。加勁梁為單跨懸吊鋼桁梁，分跨布置為：130+1060+130m。加勁梁采用帶豎桿的華倫式鋼桁架，節間長度10m，桁高12m，桁寬30m。橋塔采用普通鋼筋混凝土門形塔，兩岸塔高259m，設上下兩道橫梁，塔柱采用單箱單室箱形截面，截面尺寸由塔頂9m（順橋向）×9m（橫橋向），線性變化為塔底15m（順橋向）×11m（橫橋向）。結構立面布置如圖1所示。

圖1 懸索橋立面布置（m）

2 有限元模擬

2.1 有限元模型

本文采用Midas Civil 建立結構動力分析有限元模型，模型如圖2 所示。進行動力分析時，主纜和吊索采用索單元模擬，并考慮恒載狀態下構件初始軸力對單元剛度的影響；橋塔、加勁梁均采用三維梁單元模擬，考慮恒載狀態下初始內力對單元剛度的影響。全橋邊界條件為：①橋塔底部6 個方向的自由度全部約束；②主纜在錨碇位置固結，在散索鞍位置釋放節點繞橫橋向的轉動自由度，在塔頂位置與橋塔頂節點采用剛性連接；③加勁梁在塔梁結合處、梁端橋臺位置對豎向和橫向進行約束，釋放其余自由度。為研究縱向粘滯阻尼器的合理布設位置，分在橋塔和梁端橋臺處設置阻尼器兩種方案進行討論，粘滯阻尼器的模擬采用Maxwell 模型[8]。

圖2 有限元計算模型

2.2 地震動輸入

該橋抗震設防烈度為Ⅷ度，橋址區水平向基本地震動峰值加速度為0.2g，場地類型為Ⅱ類，場地特征周期為0.4s。本文以E1 地震作用作為激勵荷載進行計算分析，結構阻尼比取0.02。

以地震作用水平加速度反應譜（見圖3）為目標譜，采用三角級數迭加的方法擬合得到三條人工地震波加速度時程曲線作為地震反應時程分析的地震動輸入，圖4 為其中一條地震加速度時程曲線，豎向地震動加速度時程曲線按照水平向地震動加速度曲線的0.65 倍考慮。計算分析時，考慮縱向+豎向激勵一種工況，最終結果取三組加速度時程計算結果的最不利值。

圖3 設計加速度反應譜

圖4 一條地震動加速度時程曲線

2.3 自振特性分析

在對懸索橋進行地震動分析之前有必要計算其自振特性，了解結構的振動頻率和振型特征。采用多重Ritz 向量法對結構進行多階模態計算，結構的前五階振型以及橋塔影響較大的振型和頻率見表1 所示。

表1 全橋動力特性計算結果

懸索橋結構柔性大，前五階振型均為加勁梁和纜索的振動，以橋塔振動為主的振型出現較晚，第8、9 階振型為橋塔側向振動并耦合纜索振動，受主纜縱橋向約束作用， 以橋塔縱向振動為主的振型，首次出現在第28 階。

3 阻尼器減震分析

3.1 布設位置

工程中常常將縱向粘滯阻尼器布置在主塔塔梁結合位置或加勁梁的梁端位置，布置位置的不同對結構的減震效果不同。本文將研究上述兩種方案對帶外伸跨懸索橋減震效果的差異，確定合理的阻尼器布設位置。

方案一：粘滯阻尼器布設在橋塔處，考慮到加勁梁整體質量較大，在每個塔的兩側分別布設4 個阻尼器。

方案二：粘滯阻尼器布設在梁端橋臺位置，每側布設4 個阻尼器。兩種方案單個阻尼器的阻尼常數C=2500kN/（m/s）α，速度指數α=0.1。

因結構在順橋向具有對稱性，故橋塔內力和位移僅取一岸橋塔的計算結果進行對比。地震作用下無阻尼器方案和設置阻尼器方案的橋塔關鍵截面內力、結構位移及減震率見表2、表3 所示。表中減震率是指相對不設阻尼器結構內力、位移減小的百分比。

表2 橋塔內力及減震率

表3 結構位移及減震率

在橋塔塔梁結合處設置阻尼器后，橋塔的塔底剪力相對不設阻尼器減小了18%，塔底縱向彎矩相比不設阻尼器減小了21.3%，塔頂縱向位移能夠減小33.6%。而在梁端設置阻尼器對減小地震作用下的塔底內力和塔頂位移幾乎沒有作用。

兩種方案均表明，設置阻尼器后的梁端位移能夠得到顯著控制，在橋塔位置設置阻尼器，梁端位移減幅達78.9%，在梁端位置設置阻尼器，梁端位移減幅可達90%。這說明縱向阻尼器對減小地震作用下的加勁梁位移十分有效。

綜合考慮兩種阻尼器布設位置對整體結構的減震效果，將阻尼器布設在橋塔位置是最為合適的。

3.2 參數分析

合理的阻尼器設計參數有利于結構的減震，不同的阻尼系數C 和速度指數α 會對結構的地震響應造成較大影響。在確定合理的布設位置后，本文依據工程中常用的阻尼器參數取值范圍，對阻尼系數和速度指數進行參數敏感性分析，單個阻尼器的阻尼系數C 分別取2500、5000、7500、10000kN/（m/s）α，速度指數α 分別取0.1、0.2、0.3、0.5、0.7，對上述20 種阻尼器參數的組合分別進行計算，分析參數變化對結構減震效果的影響規律。

通過地震響應計算，可得橋塔內力隨參數的變化曲線如圖5、圖6 所示。

圖5 塔底剪力隨速度指數的變化

由圖5、圖6 可知，阻尼系數一定時，塔底剪力、彎矩均隨速度指數的增大而減小，且減小速率逐漸變緩，阻尼系數越大非線性越明顯。當速度指數＞0.2 時，塔底彎矩隨阻尼系數線性增加，速度指數≤0.2 時，塔底彎矩隨阻尼系數呈非線性增加。

圖6 塔底彎矩隨速度指數的變化

當速度指數=0.1，阻尼系數≥7500 時，阻尼器的設置將會增大塔底彎矩，不利于橋塔的減震。從減小橋塔內力的角度看，速度指數宜取較大值，阻尼系數宜取較小值，若阻尼系數過大，則阻尼器將會起到反作用。

地震作用下，塔頂位移和梁端位移隨參數的變化曲線如圖7、圖8 所示。

圖7 塔頂位移隨速度指數的變化

圖8 梁端位移隨速度指數的變化

由圖7 可知，當阻尼系數≥7500 時，塔頂位移隨速度指數的增大逐漸減小；當阻尼系數≤5000 時，塔頂位移隨速度指數的增大呈現先減小后增大的趨勢，阻尼系數不同，塔頂位移響應隨速度指數的變化規律不同。由圖8 可知，隨速度指數的增大，梁端位移隨阻尼系數呈現非同步的先減小后增大的趨勢，梁端位移存在極小值。當速度指數較小時，阻尼系數對塔頂位移的影響較大，速度指數較大時，阻尼系數對梁端位移的影響較大。

從減小結構縱向位移的角度看，阻尼系數較小時，速度指數宜取中間值，阻尼系數較大時，速度指數宜取較大值，否則阻尼器將會起到反作用，不利于結構減震。

4 結論

通過對某帶外伸跨鋼桁梁懸索橋的動力計算，分析了縱向粘滯阻尼器布設位置及不同設計參數對結構地震響應的影響規律，得出以下結論：

①懸索橋結構柔性大，低階振型均為加勁梁和纜索的振動，以橋塔振動為主的振型出現較晚。

②在橋塔塔梁結合處設置阻尼器后，橋塔的塔底內力和梁端位移均有明顯的改善，在梁端橋臺位置設置阻尼器對地震作用下的塔底內力幾乎不產生作用，但梁端位移減幅效果大于在橋塔處設置阻尼器。

③橋塔內力分析表明，阻尼系數一定時，塔底剪力、彎矩均隨速度指數的增大而減小，且變化規律呈非線性變化；當速度指數=0.1，阻尼系數≥7500 時，阻尼器的設置將會增大塔底彎矩，不利于橋塔的減震。

④結構位移分析表明，阻尼系數不同，塔頂位移響應隨速度指數的變化規律不同；隨速度指數的增大，梁端位移隨阻尼系數呈現非同步的先減小后增大的趨勢，梁端位移存在極小值。

⑤綜合考慮橋梁結構的減震效果，阻尼器宜設置在橋塔位置，阻尼系數宜取較小值，速度指數宜取中間值，具體參數還應結合阻尼器生產工藝、經濟效益等因素綜合分析來確定。