70 地震工程与工程振动第 37 卷桥型不过, 其结构受力较地锚式悬索桥复杂, 施工顺序也不同另外, 其动力特性表现出与斜拉桥类似的一面, 即第一振型一般为主梁纵飘在纵向地震作用下, 主梁将产生比较大的纵向位移, 伸缩缝规模亦随之增大, 而且主塔底部的弯矩也很大, 甚至成为设计的控制因素

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夷缔晋邴
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1 第 37 卷第 5 期 2017 年 10 月地震工程与工程振动 EARTHQUAKEENGINEERINGANDENGINEERINGDYNAMICS Vol.37No.5 Oct.2017 文章编号 : (2017) DOI: /j.eeev zhoudx.008 大行程板式铅阻尼器在独塔自锚式悬索桥中的应用研究周大兴 1, 闫维明 2 1, 钱增志 (1. 中铁建设集团有限公司, 北京 ;2. 北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室, 北京 ) 摘要 : 结合自锚式悬索桥减震控制的研究现状, 对大行程板式铅阻尼器在罕遇地震作用下的减震效果进行了分析研究通过对比铅阻尼器和黏滞阻尼器的分析结果发现, 在两种减震方案下结构的地震响应最大值 ( 塔顶纵向位移梁端纵向位移和塔底纵向弯矩 ) 相差不大可以说, 只要阻尼器的选型 ( 相关力学参数 ) 恰当, 大行程板式铅阻尼器的减震效果明显, 且与黏滞阻尼器的相当由于使用寿命长构造简单成本低, 而且满足结构减震控制对大行程的需求, 大行程板式铅阻尼器在独塔自锚式悬索桥减震控制中具有良好的应用前景关键词 : 桥梁工程 ; 独塔自锚式悬索桥 ; 减震控制 ; 大行程板式铅阻尼器 ; 黏滞阻尼器中图分类号 :U 文献标志码 :A Applicationresearchonthelargestrokeplate typeleaddamperina self anchoredsuspensionbridgewithsingle tower ZHOUDaxing 1,YANWeiming 2,QIANZengzhi 1 (1ChinaRailwayConstructionGroupCo.,Ltd.,Beijing100040,China;2BeijingLaboratoryofEarthquake EngineeringandStructureRetrofit,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China) Abstract:Theresearchondampingefectofanewkindofleaddamper(LeadDamperwithLongStroke)hasbeen doneunderrareearthquakeonthecombinationofthestatusoftheseismiccontrolofaself anchoredsuspension bridgewithsingle tower.basedontheresults,theseismicresponsemaximum(thelongitudinaldisplacementofthe towertopandthebeam,thelongitudinalmomentofthetowerbotom)ofleaddamperisalmostthesametothatof viscousdamper.so,thedampingefectoftheleadsheardamperwithlongstrokeisgoodanditisclosetothatof viscousdamperaslongastheparametersarechosenproperly.thestructureofthiskindofdamperissimple,the servicelifeislongandtheprocesingcostislow.what smore,itmeetthedemandoflargedisplacement.so,it hasagoodprospectindampingcontrolofaself anchoredsuspensionbridgewithsingle tower. Keywords:bridgeengineering;self anchoredsuspensionbridgewithsingle tower;dampingcontrol;largestroke plate typeleaddamper(lspld);viscousdamper 引言独塔自锚式悬索桥造型美观经济性好对地形及地质状况适应性强, 是中小跨径桥梁较为有竞争力的收稿日期 : ; 修订日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( ) Supportedby:NationalNaturalScienceFoundationofChina( ) 作者简介 : 周大兴 (1982-), 男, 博士研究生, 主要从事工程抗震与减震控制研究.E mail:zhoudaxing@ztjs.cn

70 地震工程与工程振动第 37 卷桥型不过, 其结构受力较地锚式悬索桥复杂, 施工顺序也不同另外, 其动力特性表现出与斜拉桥类似的一面, 即第一振型一般为主梁纵飘在纵向地震作用下, 主梁将产生比较大的纵向位移, 伸缩缝规模亦随之增大, 而且主塔底部的弯矩也很大, 甚至成为设计的控制因素因此, 采取有效的减震控制对策, 减小纵向地震作用下结构的位移及内力响应, 是其抗震设计的重要任务

2 70 地震工程与工程振动第 37 卷桥型不过, 其结构受力较地锚式悬索桥复杂, 施工顺序也不同另外, 其动力特性表现出与斜拉桥类似的一面, 即第一振型一般为主梁纵飘在纵向地震作用下, 主梁将产生比较大的纵向位移, 伸缩缝规模亦随之增大, 而且主塔底部的弯矩也很大, 甚至成为设计的控制因素因此, 采取有效的减震控制对策, 减小纵向地震作用下结构的位移及内力响应, 是其抗震设计的重要任务目前, 自锚式悬索桥的减震控制以黏滞阻尼器为主如, 广州猎德大桥长沙市三汊矶湘江大桥朝阳市黄河路大桥西宁市海湖新区湟水河大桥等均采用了黏滞阻尼器的减震方案 [1-4] 不过, 由于黏滞阻尼自身的一些不足, 其他类型的阻尼器及减隔震支座也逐渐被应用于自锚式悬索桥上如, 胡建华杨孟刚 [5-6] [7] 等进行了自锚式悬索桥磁流变阻尼器减震控制研究 ; 杨军研究了一种金属耗能器, 并分析了其在自锚 [8] 式悬索桥中的减震效果 ; 管仲国李建中等将软钢阻尼器和支座整合, 形成弹塑性支座, 并用于自锚式悬 [9-10] 索桥的减震控制 ; 陈国阳滕文刚等人对铅芯橡胶支座在自锚式悬索桥中的隔震效果进行了研究不过, 当桥梁处于高烈度区或者跨度较大时, 在地震作用下结构会发生较大的纵向变形 ( 顺桥向 ), 且这种变形即使经过减震控制后仍会超过减震装置的有效行程, 从而限制了这些减震方案的应用范围方海刘伟庆 [11-12] 等则研究了铅挤压阻尼器在自锚式悬索桥减震控制中的应用铅挤压阻尼器可以实现阻尼器的大行程化, 但是其对加工精度要求高, 制造成本大随着减震控制技术的发展, 新型被动控制装置不仅减震效果明显, 而且构造简单制造成本低, 如大行程板式铅阻尼器下面以大行程板式铅阻尼器为例, 研究其在独塔自锚式悬索桥减震控制中的应用 1 大行程板式铅阻尼器简介铅阻尼器作为金属阻尼器的一种, 其阻尼材料是金属铅铅的结晶构造是面心立方体, 塑性变形能力好, 具有较高的柔性和延性, 在室温条件下会同时发生动态回复和动态再结晶过程通过回复和再结晶, 应变硬化将消失, 铅的组织和性能将恢复至变形前的状态, 因此不会产生残余应力 [13] 铅阻尼器的特点是使用寿命长性能稳定构造简单其中圆筒式的铅挤压阻尼器易于实现大行程, 在房屋建筑工程和桥梁工程中已有应用 [11-12,14] 而板式铅阻尼器比铅挤压阻尼器构造更为简单, 成本更低, 但目前其行程较小, 无法满足结构对大变形的要求相关文献对传统的板式铅阻尼器加以改进 [15], 成功的研发出阻尼力稳定的大行程板式铅阻尼器这种新型阻尼器包括盖板滑动板侧面挡板和挡块两块盖板在滑动板上下相对放置, 侧面挡板在两块盖板之间, 其中, 在盖板上沿长度方向焊接两个挡块通过螺栓固定盖板滑动板侧面挡板和挡块形成两个腔体当滑动板往复运动时, 利用凹槽剪切铅块而耗能, 其构造见图 1 该阻尼器的力学性能试验在北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点试验室进行采用的试验装置为千斤顶 / 电液伺服作动器位移传感器力传感器 / 应变计及数据采集系统, 阻尼器水平放置, 两端与加载装置铰接, 试验照片见图 2 从试验结果来看, 当位移幅值为 ±100mm 时, 该阻尼器的阻尼力虽出现一定波动, 但整体上阻尼器的滞回曲线比较丰满, 具体见图 3 有关该阻尼器的具体研究过程可参考有关文献 [15], 此处不再赘述图 1 大行程板式铅阻尼器构造图 Fig.1 StructureofLSPLD 图 2 铅阻尼器的低周往复试验 Fig.2 Modeltestoflowfrequencycyclicpseudostaticloading

3 第 5 期周大兴, 等 : 大行程板式铅阻尼器在独塔自锚式悬索桥中的应用研究 71 目前, 相关研究成果已经对大行程板式铅阻尼器在大跨度连续梁桥和千米级斜拉桥减震控制中的应用进行了研究 [15-16] 从分析结果来看, 这种阻尼器的减震效果与黏滞阻尼器的相当在温度作用下, 其产生的附加作用力对结构影响很小考虑到自锚式悬索桥的动力特性有与斜拉桥类似的一面, 且温度作用下铅阻尼器对独塔结构几乎没有影响, 因此大行程板式铅阻尼器非常适合于独塔自锚式悬索桥的减震控制 2 独塔自锚式悬索桥的减震控制图 3 铅阻尼器滞回曲线 Fig.3 Hystereticcurveofleadsheardamper 2.1 桥梁概况图 4 桥跨布置 ( 单位 cm) Fig.4 Bridgelayout 某独塔自锚式悬索桥的跨径布置为 35m+135m+165m+35m=370m, 桥跨布置图见图 4 采用半漂浮体系 ( 纵向漂浮竖向约束 ) 其中, 主塔采用 C50 混凝土, 为种子造型, 下接承台及钻孔灌注桩基础其高度为 126.5m, 分上塔柱与下塔柱, 设置上下横梁主梁采用钢加劲梁 + 两侧预应力混凝土加劲梁的组合体系钢加劲梁采用 Q345qD 钢材, 为扁平流线型, 有效全宽 36.6m, 桥梁中线处梁高 3.0m 桥共设置两根主缆, 单根主缆采用预制平行钢丝束, 横桥向间距 29.5m 吊索采用垂直布置, 间距 9.0m, 共 27 对 2.2 地震动输入与计算模型图 5 人工加速度时程 1 Fig.5 Artificialwave1 图 6 放大系数对比 Fig.6 Dynamicmagnificationfactors

72 地震工程与工程振动第 37 卷桥址所在地抗震设防烈度为 8 度, 场地类别为 I 类计算时选取了两条天然地震波和一条人工地震波, 采用纵向 + 竖向的地震动输入方式根据该桥的设计地震动参数及有关规范, 纵向加速度时程的峰值约为 0.4g( 对应地震作用重现期约为 2000 年 ), 竖向加速度时程的峰值为水平加速度峰值的 0.

4 72 地震工程与工程振动第 37 卷桥址所在地抗震设防烈度为 8 度, 场地类别为 I 类计算时选取了两条天然地震波和一条人工地震波, 采用纵向 + 竖向的地震动输入方式根据该桥的设计地震动参数及有关规范, 纵向加速度时程的峰值约为 0.4g( 对应地震作用重现期约为 2000 年 ), 竖向加速度时程的峰值为水平加速度峰值的 0.5 其中一条纵向人工加速度时程见图 5, 三条地震波反应谱的与设计反应谱的对比见图 6 计算采用 Midas/Civil 软件 ( 分析模型见图 7) 在分析中, 主梁塔边墩采用梁单元模拟, 主缆及吊索采用索单元模拟采用初始单元内力考虑自重等静力荷载作用下的初始状态图 7 计算分析模型 Fig.7 Analysismodel 分析中采用 m 法近似考虑桩 - 土相互作用的影响墩塔与主梁间的约束关系见表 1( 墩梁间的滑动采用理想弹塑性模型 ) 表 1 边界条件 Table1 Boundaryconditions 约束方向过渡墩与主梁辅助墩与主梁主塔与主梁纵桥向滑动滑动无或阻尼横桥向约束约束约束竖向约束约束约束根据相关文献的试验结果 [15-16], 大行程板式铅阻尼器的本构关系可以用 Bouc Wen 模型模拟 [17], 该模型公式如下 : F= F y u y [α u+(1-α) z] (1) z=u [a- z n (b sign(u z))+γ] (2) 上式中,z 为滞变位移 ;u 为阻尼器变形 ;u y 为阻尼器的屈服位移 ;F y 为阻尼器的屈服力 ;α 为阻尼器屈服后的第二段刚度与弹性刚度的比值 ;a b γ n 为模型的形状常数当 a=b+γ=1.0 时, 可用于模拟铅阻尼器的滞回曲线 ; 参数 n 控制阻尼器弹性刚度到屈服后刚度之间过渡弧段的曲率半径,n 越大曲率半径越小, 则 Bouc Wen 模型越接近双线性模型根据试验数据, 大行程板式切阻尼器的相关参数可以取为 :α 0,b= 0.9,γ=0.1,n= 减震效果分析本文在主塔与主梁结合处设置 8 个大行程板式铅阻尼器即, 阻尼器的一端与在主塔下横梁连接, 另外一端与主梁下缘连接在布置位置和数量一定的情况下, 减震效果大小与铅阻尼器的初始刚度和屈服力有关系普通板式铅阻尼器的初始刚度一般在 10 6 kn/m 以上, 然而随着阻尼器行程的增加, 阻尼器的初始刚度会有所减小通过试验发现, 大行程板式铅阻尼器的初始刚度值一般在 10 5 kn/m~10 6 kn/m 之间从图 8~ 图 9 可知, 在屈服力一定 (1500kN) 的情况下, 不同的初始刚度对塔顶纵向位移梁端纵向位移和塔底纵向弯矩的影响很小而在初始刚度一定 ( ) 的情况下, 阻尼器的屈服力对塔顶纵向位移梁端纵向位移和塔底纵向弯矩的影响较大 ( 见图 10~ 图 11)

第 5 期周大兴, 等 : 大行程板式铅阻尼器在独塔自锚式悬索桥中的应用研究 73 图 8 不同初始刚度下的纵向位移 Fig.8 Displacementofthedeckinlongitudinal directionwithdiferentinitialstifnes 图 9 不同初始刚度下的塔底纵向弯矩 Fig.

11Momentofthetoweratthebotominlongitudinal directionwithdiferentyieldstrength 结合上述分析, 对于该悬索桥的减震控制, 大行程板式铅阻尼器的屈服强度和初始刚度可分别取 1500kN 和 1 106kN/m 根据数值分析的结果 ( 表 1), 减震前后, 塔顶纵向位移分别为 0.367m 和 0.

5 第 5 期周大兴, 等 : 大行程板式铅阻尼器在独塔自锚式悬索桥中的应用研究 73 图 8 不同初始刚度下的纵向位移 Fig.8 Displacementofthedeckinlongitudinal directionwithdiferentinitialstifnes 图 9 不同初始刚度下的塔底纵向弯矩 Fig.9 Momentofthetoweratthebotominlongitudinal directionwithdiferentinitialstifnes 图 10 不同屈服强度下的纵向位移 Fig.10 Displacementofthedeckinlongitudinal directionwithdiferentyieldstrength 图 11 不同屈服强度下的纵向弯矩 Fig.11Momentofthetoweratthebotominlongitudinal directionwithdiferentyieldstrength 结合上述分析, 对于该悬索桥的减震控制, 大行程板式铅阻尼器的屈服强度和初始刚度可分别取 1500kN 和 1 106kN/m 根据数值分析的结果 ( 表 1), 减震前后, 塔顶纵向位移分别为 0.367m 和 0.170m, 减震率为 53.8%; 梁端纵向位移分别为 0.329m 和 0.153m, 减震率为 53.5%; 塔底纵向弯矩分别为 1.411E+06kN m 和 1.065E+06kN m, 减震率为 24.6% 相关时程曲线对比见图 12~ 图 14 表 2 结构地震响应最大值 Table2 Maximumvalueofseismicresponse 项目塔顶纵向位移 (m) 梁端纵向位移 (m) 塔底纵向弯矩 (kn m) 无减震 E+06 铅阻尼器 E+06 减震率 (%) 图 12 塔顶纵向位移时程 Fig.12 Displacementtimehistoryofthetower topinlongitudinaldirection 图 13 梁端纵向位移时程 Fig.13 Displacementtimehistoryofthe deckinlongitudinaldirection

74 地震工程与工程振动第 37 卷从上面的分析结果来看, 大行程板式铅阻尼器对该悬索桥地震响应的减震效果明显, 尤其是结构纵向位移为了进一步研究大行程板式铅阻尼器的减震效果, 以应用最为广泛的黏滞阻尼器减震方案为例进行对比分析塔梁结合处设置 4 个纵向带限位的黏滞阻尼器, 纵向限位 150mm 阻尼器的速度指数 α =0.3, 阻尼系数 C=2500kN (m/s) -0.

6 74 地震工程与工程振动第 37 卷从上面的分析结果来看, 大行程板式铅阻尼器对该悬索桥地震响应的减震效果明显, 尤其是结构纵向位移为了进一步研究大行程板式铅阻尼器的减震效果, 以应用最为广泛的黏滞阻尼器减震方案为例进行对比分析塔梁结合处设置 4 个纵向带限位的黏滞阻尼器, 纵向限位 150mm 阻尼器的速度指数 α =0.3, 阻尼系数 C=2500kN (m/s) -0.3 从表 3 中的数据来看, 在两种减震方案下结构的地震响应最大值 ( 塔顶纵向位移梁端纵向位移和塔底纵向弯矩 ) 相当, 二者的时程对比和阻尼器的本构关系见图 15~ 图 18 可以说, 大行程板式铅阻尼图 14 塔底纵向弯矩时程 Fig.14 Momenttimehistoryofthetowerat thebotominlongitudinaldirection 器可以达到黏滞阻尼器的减震效果表 3 结构地震响应最大值 Table3 Maximumvalueofseismicresponse 项目塔顶纵向位移 (m) 梁端纵向位移 (m) 塔底纵向弯矩 (kn m) 黏滞阻尼器 E+06 铅阻尼器 E+06 图 15 塔顶纵向位移时程 Fig.15 Displacementtimehistoryofthe towertopinlongitudinaldirection 图 16 梁端纵向位移时程 Fig.16 Displacementtimehistoryof thedeckinlongitudinaldirection 图 17 塔底纵向弯矩时程 Fig.17 Momenttimehistoryofthetower atthebotominlongitudinaldirection

7 第 5 期周大兴, 等 : 大行程板式铅阻尼器在独塔自锚式悬索桥中的应用研究 75 图 18 阻尼器的滞回曲线 Fig.18 Hystereticcurveofdampers 3 结论通过上述独塔自锚式悬索桥的减震控制研究, 可得出如下结论 : (1) 大行程板式铅阻尼器可以有效地减小独塔自锚式悬索桥的地震响应, 尤其是塔顶和梁端纵向位移 ; (2) 只要选型 ( 相关力学参数 ) 恰当, 大行程板式铅阻尼器可以达到黏滞阻尼器的减震效果考虑到板式铅阻尼器构造简单, 成本低, 后期的维护也比黏滞阻尼器简单, 故大行程板式铅阻尼器具有良好的推广应用前景参考文献 : [1] 陈书平. 猎德大桥自锚式悬索桥地震响应分析与减震措施研究 [D]. 长沙 : 长沙理工大学,2009:8-10. CHENShuping.Studyontheseismicresponsesandshockabsorptiontechniqueofliedeself anchoredsuspensionbridges[d].changsha:chang shauniversityofscience&technology,2009:8-10.(inchinese) [2] 宋旭明, 戴公连, 曾庆元. 自锚式悬索桥的黏滞阻尼器减震控制 [J]. 华南理工大学学报,2008,37(3): SONGXuming,DAIGonglian,ZENGQingyuan.Seismicresponsecontrolofse1f anchoredsuspensionbridgewithviscousdampers[j].journalof SouthChinaUniversityofTechnology,2008,37(3): (inChinese) [3] 王亚飞. 自锚式悬索桥地震响应分析和减震措施研究 [D]. 大连 : 大连理工大学,2008:9-66. WANGYafei.Studyontheseismicresponsesandshockabsorptiontechniqueofself anchoredsuspensionbridges[d].dalian:dalianuniversity oftechnology,2008:9-66.(inchinese) [4] 李健宁. 自锚式悬索桥吊索施工张拉控制及抗震研究 [D]. 兰州 : 兰州交通大学,2012:9-77. LIJianning.Studyofcontroltensileforcethesuspensioncableandseismicanalysisofself anchoredsuspensionbridge[d].lanzhou:lanzhou JiaotongUniversity,2012:9-77.(inChinese) [5] 胡建华. 大跨度自锚式悬索桥结构体系及静动力性能研究 [D]. 长沙 : 湖南大学,2006: HUJianhua.Theresearchonstructuralsystem andstatic dynamicmechanicsperformanceoflong spanself anchoredsuspensionbridges[d]. Changsha:HunanUniversity,2006: (inChinese) [6] 杨孟刚, 胡建华, 陈政清. 独塔自锚式悬索桥地震响应分析 [J]. 中南大学学报,2005,36(1): YANGMenggang,HUJianhua,CHENZhengqing.Seismicresponseanalysisofself anchoredsuspensionbridgewithsingle tower[j].j.cent. SouthUniv,2005,36(1): (inChinese) [7] 杨军. 自锚式悬索桥延性抗震和金属耗能减震研究 [D]. 大连 : 大连理工大学,2009: YANGJun.Studyonductileearthquake resistingandmetaldampingofself anchoredsuspensionbridge[d].dalian:dalianuniversityoftech nology,2009:65-82.(inchinese) [8] 管仲国, 李建中, 朱宇. 弹塑性阻尼支座用于自锚式悬索桥减震设计 [J]. 同济大学学报,2009,37(1):6-12. GUAM Zhongguo,LIJianzhonr,ZHUYu.Elastic plasticenergydisipatingbearingforseismicdesignofself anchoredsuspensionbridgewithsin gletower[j].journaloftongjiuniversity,2009,37(1):6-12.(inchinese) [9] 陈国阳. 大跨度独塔自锚式悬索桥地震反应分析与减隔震措施研究 [D]. 长沙 : 中南大学,2010: CHENGuoyang.Theresearchonseismicresponsesandshockabsorptiontechniqueoflong spanself anchoredsuspensionbridgeswithsingle tower [D].Changsha:CentralSouthUniversity,2010:58-65.(inChinese) [10] 滕文刚. 独塔自锚式悬索桥动力特性分析与减隔震措施研究 [D]. 西安 : 长安大学,2012:57-69.

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第 4 期陈永健, 等 : 大跨度斜拉桥纵桥向阻尼器减震措施研究工程背景以某大跨度两塔双索面钢箱梁斜拉桥为工程背景, 其主跨跨径 680m, 两侧边跨各设两个辅助墩, 桥跨布置为 ( )m+680m+( )m=1280m, 如图 1 所示. 该桥采用

第 4 期陈永健, 等 : 大跨度斜拉桥纵桥向阻尼器减震措施研究工程背景以某大跨度两塔双索面钢箱梁斜拉桥为工程背景, 其主跨跨径 680m, 两侧边跨各设两个辅助墩, 桥跨布置为 ( )m+680m+( )m=1280m, 如图 1 所示. 该桥采用第 41 卷第 4 期 2013 年 8 月 JournalofFuzhouUniversity(NaturalScienceEdition) Vol.41No.4 Aug.2013 DOI:10.7631/isn.1000-2243.2013.04.0682 文章编号 :1000-2243(2013)04-0682-05 大跨度斜拉桥纵桥向阻尼器减震措施研究陈永健, 许莉, 房贞政 ( 福州大学土木工程学院,