大跨度叠合梁斜拉桥减隔震装置阻尼参数研究

大跨度叠合梁斜拉桥减隔震装置阻尼参数研究

张龙奇1刘明2*，雷林1

1.四川蜀工公路工程试验检测有限公司，四川 成都 610031； 2.四川交通职业技术学院，四川 成都 610031；

摘要：为探究大跨度叠合梁斜拉桥减隔震装置阻尼参数选取问题，首先对地震情况和地震参数进行了分析，并给出了与目标反应谱拟合度很高的地震动时程，其次基于有限元软件建立该桥三维空间有限元模型，并设置了49个阻尼参数分析工况，最后对比分析了不同阻尼参数对结构变形、关键截面内力和阻尼器受力性能等的影响规律。研究表明当阻尼系数C和速度指数ξ分别为3000KN/(m/s)和0.2时，与不加阻尼器相比，塔顶和梁端位移最大分别减小70.5%和78.6%，塔底弯矩减小42.3%，塔底剪力减小了7.7%，最大阻尼力为2235.4KN，最大阻尼速度为0.230m/s，最大阻尼行程0.112m。可作为该桥减隔震阻尼器优化后参数。

关键词：叠合梁；斜拉桥；减隔震装置；阻尼参数  [1]

0.引言

近年来地震频发，地震对形如大跨度斜拉桥等生命线的影响较大。而减隔震装置[1]如液体粘滞阻尼器[2]对地震效应具有良好的减隔震效果，但每座大桥结构形式、基本烈度等均不相同，由此带来的阻尼器参数也各不相同，因此有必要对减隔震装置阻尼参数进行分析。

关于斜拉桥阻尼器参数的研究，学者们进行了大量研究。史俊[3]等基于响应面法探究了某纵飘斜拉桥液体粘滞阻尼器的参数选择问题，邓育林[4]等研究了某混合梁双塔斜拉桥在地震作用下的非对称粘滞阻尼器参数设置问题，王志伟[5]和陈德伟[6]等分别基于Maxwell模型和某双幅联塔斜拉桥，研究了液体粘滞阻尼器参数和阻尼器布设问题，唐健[7]则利用随机振动理论，研究了某大跨度斜拉桥液体粘滞阻尼器参数设置情况。上述研究表明，每座大桥的液体粘滞阻尼器均是特有的，并不是统一的。

故基于上述研究，以某大跨度叠合梁斜拉桥为研究背景，探究地震作用下减隔震装置液体粘滞阻尼器参数设置问题。

1.工程概况

1.1 桥梁概况

以某双塔双索面叠合梁斜拉桥未工程背景，跨度布置为（256+506+256）m=1018m，桥宽31.0m，设双向六车道及人行道。主梁采用叠合梁，工字钢和混凝土土板组成，梁高3.6m。

1.2地震情况

地震基本烈度定为Ⅵ度（0.05g），地震动反应谱特征周期为0.35s，场地类别Ⅱ类，设计地震分组为第一组。主桥抗震设防分类为A类。

根据《大桥工程场地地震安全性评价报告》以及《公路桥梁抗震设计规范》（JTG/T 2231-01-2020），分别取出50年超越概率10%（重现期475年）与50年超越概率2.5%（重现期2000年）的水平向加速度反应谱曲线，阻尼比为3%。分别选取50年超越概率10%（E1）和50年超越概率2.5%（E2）合成的3条水平加速度时程。每条时程的谱值与目标反应谱所选周期点拟合的相对误差均控制在5％以内。

2.有限元模型

为更准确地分析结构的抗震性能，利用Midas civil有限元软件进行建模计算。建立模型时，以顺桥向为X轴，横桥向为Y轴，竖向为Z轴。

整个模型采用单主梁的鱼骨模型，主梁与斜拉索、主梁与吊杆、桥塔与斜拉索之间采用刚臂连接或主从约束。全桥有限元空间模型如图1所示。

图1 全桥有限元计算模型

采用梁单元来模拟单主梁、桥塔和桩基，采用索单元模拟斜拉索，采用等效弹性模量考虑索的垂度引起的非线性影响，即垂度效应，同时还考虑恒载引起的几何刚度的影响。

3.减隔震抗震性能

该桥采用液体粘滞阻尼器作为减隔震装置，偏安全考虑，探究E2地震下，不同阻尼参数对叠合梁斜拉桥关键地震响应的影响，进而优选出最为合理的阻尼器参数。

大桥在桥塔位置处各设置两个粘滞阻尼器，一端设置在桥塔横梁处，另一端直接与主梁相连接。在E2三组地震波作用下，并分别按照不同阻尼器参数计算得到一个相对最优的阻尼器型号，不同型号阻尼器下面所给出的几种参数进行依次组合，总计共49组组合；阻尼系数C：2000kN、3000kN、4000kN、5000kN、6000 kN、7000kN、8000kN七种；速度指数ξ：0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8七种。

4.地震响应计算分析

4.1梁端和塔顶纵向变形计算分析

塔顶纵向位移和主梁纵向位移随阻尼参数变化的变化规律如图2至图5所示。

图2 速度指数对塔顶纵向位移的影响     图3速度指数对主梁纵向位移的影响

图4阻尼系数对主梁纵向位移的影响  图5阻尼系数对塔顶纵向位移的影响

从以上计算结果可知：

（1）设置了粘滞阻尼器后，相对于无阻尼而言，塔顶纵向位移和主梁纵向位移均有所减小，说明粘滞阻尼器对减小地震作用下位移响应具有明显效果；

（2）随着速度指数的增加，塔顶纵向位移呈现出先增加后不变的变化趋势，而主梁纵向位移呈现出先减小后不变的变化趋势，说明当速度指数增加到一定数值后，位移响应并不会持续变化；

（3）随着阻尼系数的增加，塔顶纵向位移和主梁纵向位移均呈现先减小后不变的变化趋势，也说明当阻尼系数增加到一定数值后，位移响应并不会持续增加。

4.2塔底弯矩、剪力和阻尼力计算分析

图6至图9是塔底弯矩和剪力最大值随阻尼参数变化的变化规律。

图6阻尼系数对塔底弯矩的影响           图7速度指数对塔底弯矩的影响

图8速度指数对塔底剪力的影响      图9阻尼系数对塔底剪力的影响

4.3优选阻尼参数

结合上述塔顶纵向位移、主梁纵向位移、塔底弯矩、塔底剪力以及液体粘滞阻尼器阻力、速度和行车分析可知：

（1）随着阻尼系数的增加，塔顶纵向位移、主梁纵向位移、塔底弯矩和塔底剪力均呈现出先减小后趋于不变的变化规律，说明为尽可能减小地震响应，可适当增加阻尼系数。

（2）随着阻尼指数的增加，塔顶纵向位移、主梁纵向位移、塔底弯矩均呈现先增加后区域不变的变化规律，说明为尽可能减小地震响应，可适当减小加阻尼系数。

（3）随着阻尼系数的增加，阻尼力也在逐渐增加，这也进一步增加了阻尼与桥塔横梁之间的内力，因此阻尼系数也不应太大。

综合考虑选取的液体粘滞阻尼器参数如下：阻尼系数C=3000KN/(m/s)，速度指数ξ=0.2较为合适。在此条件下，最大阻尼力为2235.4KN，最大阻尼速度为0.230m/s，最大阻尼行程0.112m。与不加阻尼器相比，塔顶和梁端位移最大分别减小70.5%和78.6%，塔底弯矩减小42.3%，塔底剪力减小了7.7%。并根据造价、其他荷载要求等因素最终确定单个阻尼器阻尼系数。

5.结语

主要结论如下：

（1）结合工程场地地震动参数和大桥工程场地地震安全性评价报告，得到反应谱和时程曲线，每条时程的谱值与目标反应谱所选周期点拟合的相对误差均控制在5％以内。

（2）液体粘滞阻尼器是一种常用的减隔震装置，为确定减震装置-阻尼器的参数确定和选型，采用非线性时程分析方法对大桥做了49个工况分析，并将得到结果进行比较，给出阻尼器参数选择建议。

（3）阻尼系数C和速度指数ξ分别为3000KN/(m/s)和0.2时，与不加阻尼器相比，塔顶和梁端位移最大分别减小70.5%和78.6%，塔底弯矩减小42.3%，塔底剪力减小了7.7%，最大阻尼力为2235.4KN，最大阻尼速度为0.230m/s，最大阻尼行程0.112m。可作为该桥减隔震阻尼器优化后参数。

参考文献

[1]怀臣子,李冲,崔延省等. 地震高烈度地区部分斜拉桥超大吨位减隔震支座设计研究 [J]. 世界桥梁, 2024, 52 (01): 87-94.

[2]陈永祁,马良喆. 液体粘滞阻尼器应用现状及改进其适用性耐久性的措施方法 [J]. 工程抗震与加固改造, 2022, 44 (03): 97-106+96.

[3]史俊,徐略勤,周建庭等. 纵飘斜拉桥基于响应面法的粘滞阻尼器参数优化分析 [J]. 工程抗震与加固改造, 2022, 44 (01): 80-87+31.

[4]邓育林,易磊. 地震下大跨双塔单侧混合梁斜拉桥非对称黏滞阻尼器设置参数分析 [J]. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版), 2022, 46 (03): 483-488+494.

[5]王志伟,李春良. 斜拉桥液体粘滞阻尼器参数敏感性分析 [J]. 吉林建筑大学学报, 2020, 37 (04): 13-17+38.

[6]陈德伟,丁祥文,于祥敏. 双幅联塔斜拉桥阻尼器布置方案和参数分析 [J]. 公路, 2019, 64 (05): 67-72.

[7]唐健. 基于随机振动理论的斜拉桥黏滞阻尼器参数分析 [J]. 中国公路, 2018, (08): 96-97.

[1] 基金项目：国家自然科学基金资助项目(52178169:U21A20154)

作者简介: 张龙奇 1986-，男，四川成都人，博士，高级工程师，大跨度桥梁结构分析研究E-mail： zhlongqi@126.com；通讯作者 刘明： 1979-，男，四川成都人，博士，高级工程师，复杂桥梁结构分析研究 58485380@qq.com