液體粘滯阻尼器對大跨度斜拉橋地震反應(yīng)的影響分析

液體粘滯阻尼器對大跨度斜拉橋地震反應(yīng)的影響分析

一、結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)造隨著河流和海洋交通工程的發(fā)展，大型高差斜拉橋是一種競爭力的橋梁形式。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，大型高差斜橋的設(shè)計通常受到地震、風(fēng)、列車系統(tǒng)等動態(tài)載荷的控制。在斜橋系統(tǒng)中，主梁和塔的連接方式對結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)有顯著影響。因此，合理設(shè)計塔梁連接方式是斜橋地震設(shè)計中的一個非常重要的問題之一。結(jié)構(gòu)抗震體系一般分為漂浮體系、塔梁固結(jié)體系、彈性約束體系和阻尼約束體系。漂浮體系由于允許主梁縱向運動,其體系縱向振動的周期較長,結(jié)構(gòu)在地震作用下的內(nèi)力較小,但會帶來主梁和塔頂較大的縱向位移。塔梁固結(jié)體系由于提高了結(jié)構(gòu)的縱向剛度,可有效地控制結(jié)構(gòu)的位移,但結(jié)構(gòu)的內(nèi)力增加。塔梁間設(shè)置彈性索的彈性約束體系,能調(diào)整結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)和內(nèi)力反應(yīng),但對結(jié)構(gòu)沒有耗能的作用,結(jié)構(gòu)的減震效果有限。塔梁間設(shè)置阻尼器的阻尼約束體系能有效的減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移和內(nèi)力反應(yīng)。二、計算與分析1.結(jié)構(gòu)模型的建立某在建的大跨度斜拉橋,跨徑布置為95+230+780+230+95=1430m,雙塔雙索面斜拉橋,主梁為鋼箱梁,主塔為鉆石型,塔高自承臺頂以上高224m,塔梁間設(shè)縱向液壓阻尼器裝置。為了研究塔梁間設(shè)置阻尼器對斜拉橋的抗震性能影響,本文分別建立了三種不同的空間結(jié)構(gòu)計算模型進(jìn)行比較,模型一為漂浮體系,模型二為阻尼約束體系,用非線性阻尼單元模擬,模型三為塔梁固結(jié)體系。結(jié)構(gòu)的動力特性和動力響應(yīng)計算分析采用MIDAS/Civil2006軟件,模型中斜拉索采用索單元模擬,考慮設(shè)計成橋索力下斜拉索垂度對拉索彈性模量的折減。模型中塔、梁及墩等構(gòu)件均采用空間梁單元模擬,其中主梁采用魚脊梁模式,模型中主梁與拉索間通過剛性連接。三種模型的前五階動力特性如表1。從表1中可以看出,模型一、二的體系縱向振動的周期較長,達(dá)9s以上,這對減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)是有利的,而模型三的縱向振動在前五階未出現(xiàn),且基本周期較短。2.阻尼器參數(shù)選取大跨度斜拉橋大多數(shù)是建在跨江、跨河或跨海上,為了滿足通航要求,主塔基礎(chǔ)一般較高。從大量震害實例來看,比較高柔的橋墩基礎(chǔ)多為彎曲型破壞,矮粗的橋墩多為剪切型,介于兩者之間的則為混合型破壞。本橋主塔基礎(chǔ)自承臺頂以上高達(dá)224m,主塔自主梁底到承臺頂間高達(dá)50m,主跨達(dá)780m,屬于柔性結(jié)構(gòu),因此,本橋如果發(fā)生地震破壞就可能是彎曲破壞型,而非剪切型破壞。從反應(yīng)譜曲線可知,長周期的柔性結(jié)構(gòu),地震荷載內(nèi)力值小,控制結(jié)構(gòu)設(shè)計的可能性較小,但加勁梁與邊跨邊梁間的相對位移較大,控制梁端的位移是該橋減震的重點。因此,對大跨度斜拉橋粘滯阻尼器參數(shù)選取的原則應(yīng)該是首先控制梁端位移,其次減小塔底彎矩。為了研究粘滯阻尼器在結(jié)構(gòu)中的耗能減震效果,先通過參數(shù)分析確定阻尼器的參數(shù),阻尼器參數(shù)設(shè)計的關(guān)鍵是參數(shù)α和Cα的確定。從公路橋梁的抗震角度來看,速度指數(shù)α的取值范圍應(yīng)在0.2~1.0之間,阻尼器速度指數(shù)α的取值不同,其相應(yīng)的阻尼器所消耗的能量與線性阻尼器所消耗的能量比值見表2。從表中可以看出,阻尼指數(shù)α越小,阻尼器的耗能能力越好。本文選取阻尼器速度指數(shù)α為0.2、0.3、0.4、0.5、0.7,阻尼系數(shù)Cα為5000,8000,10000,15000,16000,20000,25000共35組參數(shù)進(jìn)行計算,其中Cα單位為KN(s/m)α,分別得到地震作用下阻尼參數(shù)對塔底順橋向的彎矩和梁端縱向位移影響圖,見圖1、圖2。其中塔底順橋向彎矩為100年10%概率下的地震響應(yīng)彎矩值,梁端位移為100年5%概率下的地震響應(yīng)位移值。圖1、圖2可以得到塔底彎矩達(dá)到極小值時對應(yīng)的α、C值和相應(yīng)的梁端位移值,見表3,從圖2可以看出,當(dāng)C一定時,α越小,梁端位移越小,和前面所述的阻尼指數(shù)α越小,阻尼器的耗能能力越好結(jié)論是一致的。當(dāng)α一定時,C趨于無窮大,梁端位移趨于零,相當(dāng)于固定支座作用,失去減震功能。因此,只有合理選取阻尼器參數(shù)才能有效的減小結(jié)構(gòu)的內(nèi)力,反之可能會給結(jié)構(gòu)帶來不利的影響。由于該橋設(shè)計的伸縮縫為64cm,大震作用下梁端位移應(yīng)小于60cm為宜,從表3可以看出盡管在C=20000KN(s/m)0.4時梁端位移最小,但選取阻尼參數(shù)的原則是在結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移均能滿足設(shè)計要求的基礎(chǔ)上,還應(yīng)兼顧阻尼器產(chǎn)生的阻尼力盡可能小,以便于粘滯阻尼器節(jié)點的連接設(shè)計,因此,該橋建議選用阻尼參數(shù)C=15000KN(s/m)0.3粘滯阻尼器。具體到本橋,每個主塔設(shè)4個縱向阻尼裝置,每個阻尼裝置的參數(shù)為C=3750KN(s/m)0.3。3.橋向彎矩與梁端位移采用非線性時程分析方法對該橋進(jìn)行地震反應(yīng)分析,分析采用前述動力計算三種模型,根據(jù)該橋地震安評報告提供的地震波作為地震動輸入,三種模型的地震作用下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)比較見表4。其中塔底順橋向彎矩為100年10%概率下的地震響應(yīng)彎矩值,梁端位移為100年5%概率下的地震響應(yīng)位移值,地震作用下塔底順橋向彎矩和梁端順橋向位移時程反應(yīng)曲線見圖3、圖4。從圖3、圖4可以看出,未設(shè)置阻尼器裝置結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)衰減較慢,設(shè)置液壓阻尼器后,結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)衰減較快,梁端順橋向位移有大幅度的減小,從表4可以得出,設(shè)置液壓阻尼器裝置后塔底順橋向彎矩比塔梁固結(jié)體系減少33%,比漂浮體系減少26%,阻尼器體系的梁端順橋向位移比漂浮體系減少61%,塔頂位移比漂浮體系減少61%,阻尼器體系的塔底剪力比塔梁固結(jié)體系減少23%,比漂浮體系減少6%。三、阻尼器參數(shù)選取本文以某在建大跨度斜拉橋縱向設(shè)置液壓阻尼器為例,進(jìn)行了非線性時程計算分析,通過分析比較,得出以下結(jié)論:(1)合理的選取阻尼器參數(shù)才能有效控制結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),為了得到更好的減震效果,本橋?qū)ψ枘崞鲄?shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,最后選取C=15000KN(s/m)0.3的粘滯阻尼器