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

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1 第 41 卷第 4 期 2013 年 8 月 JournalofFuzhouUniversity(NaturalScienceEdition) Vol.41No.4 Aug.2013 DOI: /isn 文章编号 : (2013) 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, 福建福州 ) 摘要 : 以某座大跨度斜拉桥为研究背景, 采用非线性时程分析方法, 对在主塔与主梁之间设置纵向阻尼器的减震措施进行研究, 分析不同阻尼器参数对结构地震响应的影响规律, 确定了一组较合适的阻尼器参数. 研究结果表明 : 设置纵向阻尼器可有效减小大跨度斜拉桥的地震响应, 阻尼器参数的选择需综合考虑结构主要构件的内力与位移地震响应变化规律, 根据优化目标, 进行参数优化分析, 以达到理想的减震效果. 关键词 : 斜拉桥 ; 减震 ; 阻尼器 ; 有限元法中图分类号 :U 文献标识码 :A Researchonlongitudinalseismicreleasingmeasure oflong-spancable-stayedbridgewithdampers CHENYong-jian,XULi,FANGZhen-zheng (ColegeofCivilEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou,Fujian350116,China) Abstract:Basedonalong-spancable-stayedbridge,thenon-lineardynamictime-historyanal ysismethodisusedtoresearchonthelongitudinalseismicreleasingmeasureofdamperswhicharebe tweentowerandgirder.andtheseismicanalysisofdiferentdamperparametershasalsobeendoneto findasuitablesetofdampingparameters.theresultsshowthatlongitudinaldampercanefectivelyre ducetheseismicresponseoflong-spancable-stayedbridge.thedampingparametersneedtocon siderthevariationofforceanddisplacementofthemaincomponentsunderearthquakeaction.and basedontheoptimizationobjective,itneedstodoparameteroptimizationanalysisinordertoachieve thedesireddampingefect. Keywords:cable-stayedbridge;seismicreleasing;damper;FEA 0 引言对于大跨度斜拉桥而言, 塔梁约束体系方式对结构的抗震性能有着较大的影响 [1]. 斜拉桥结构通常采用漂浮体系 半漂浮体系及固结体系 [2]. 在地震作用下, 漂浮体系易产生过大的地震位移响应 [3], 而固结体系的主塔地震内力响应较大. 在纵向漂浮体系中, 为减小结构地震响应, 常在塔 - 梁间设置不同的连接方式. 各种连接方式具有不同的力学特点, 如弹性索仅增加结构某方向的刚度而起不到耗能的作用 ; 速度型粘滞阻尼器的阻尼力与速度相关, 通过阻尼器的相对运动提供阻尼力并耗散能量, 能增加结构的附加阻尼, 而不增加结构刚度, 不约束桥梁的温度变形及蠕变 ; 铅挤压阻尼器等位移相关型阻尼器, 耗能能力强, 但是会增加结构刚度. 对大跨度斜拉桥而言, 其结构刚度小 周期较长, 欲通过延长结构周期来减小地震响应是不合适的. 因为当结构周期较长时, 再延长结构自振周期对减小地震响应已无显著效果, 反而会进一步增加结构的位移. 因此, 对大跨度桥梁的减震更多的是从增加结构的阻尼考虑, 在桥梁结构上设置一些消能减震装置, 以达到减小结构内力和位移的目的. 收稿日期 : 通讯作者 : 陈永健 (1983-), 博士, 基金项目 : 福州大学校人才基金资助项目 (022450)

2 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. 该桥采用纵向漂浮体系, 主塔处设置竖向支座, 横向设置抗风支座 ; 辅助墩及边墩均设置竖向支座, 并设置横向抗风支座. 主塔采用钻石型钢筋混凝土结构, 由下 中 上塔柱及下横梁四部分组成, 两塔柱在顶端微合, 中间以弧形板相连进行装饰, 塔顶以灯塔形式进行修饰, 塔高 196m. 边墩与辅助墩的墩身采用花瓶形空心板式墩, 在墩顶与墩底部分设置实心段. 钢箱梁采用流线型扁平整体钢箱, 单箱三室结构, 全宽 30.6m, 中线处梁高 3.5m. 主塔 辅助墩和边墩均采用钻孔灌注桩. 图 1 双塔斜拉桥总体布置图 ( 单位 :m) Fig.1 Layoutofthecable-stayedbridgewithtwotowers(unit:m) 2 阻尼器减震措施拟对该桥采用粘滞阻尼器来减小结构的纵向地震反应, 分别在主塔的下横梁与主梁之间各设置 2 个纵向粘滞阻尼器, 全桥沿纵向共计 4 个粘滞阻尼器. 阻尼器的设置位置如图 2 所示. 速度型粘滞阻尼器的力学关系可表达为 F=CV ξ, 其中 :F 为阻尼力 ;C 为阻尼系数 ;V 为速度 ;ξ 为速度指数, 其值一般可在 0.1~1.0 之间选择 [4]. 在温度等蠕变变形下, 阻尼器的反力几乎为零, 不会影响到桥梁结构的正常使用功能. 同时, 当粘滞阻尼器速度指数为 1 时, 其阻尼力与速度成正比, 在主塔变形速度最大时, 阻尼器所提供的阻尼力达到最大, 而此时主塔的变形最小, 内力最小 ; 当主塔变形最大时, 阻尼力接近于零. 故粘滞阻尼器不会显著地增加主塔的受力. 图 2 塔梁间的阻尼器装置 Fig.2 Dampersbetweentowerandgirder 图 3 有限元模型 Fig.3 Finiteelementmodel 3 有限元动力计算模型采用 ANSYS 有限元程序建立该桥的动力计算模型, 如图 3 所示. 其中, 采用三维空间 Beam 单元模拟主塔 墩 桩及主梁, 采用 Link 单元模拟斜拉索, 考虑只受拉不受压以及自重垂度效应, 采用 Combine 单元模拟土弹簧, 采用 Mas 单元模拟结构中的集中质量. 对于设置阻尼器的情况, 根据阻尼器的实际参数和设置位置, 模型采用非线性阻尼单元模拟. 在有限元模型中, 各构件截面特性 连接方式及边界条件均按实际情况确定, 并考虑不同材料的阻尼. 在计算分析中考虑大跨度斜拉桥的重力刚度 应力刚化和几何

3 684 第 41 卷 非线性特性, 较为真实地模拟结构的力学特点. 4 非线性地震响应分析 采用非线性时程分析方法对大桥进行地震响应计算, 地震动输入选取该桥 工程场地地震安全性评价报告 所提供的超越概率为 100 年 4% 的 E2 水准的 3 条地震波, 采用的地震动输入组合为 纵向 + 竖向, 其中, 竖向地震加速度为纵向地震加速度的 0.5 倍. 分别计算 3 条地震波作用下的结构内力与变形响应, 取最大值进行分析比较. 为研究设置阻尼器对结构的减震耗能作用, 分别进行了未设置阻尼器的纵向漂浮体系和多组不同阻尼器参数的减震体系的计算分析. 其中, 速度指数 ξ 分别取值为 , 阻尼系数 C 分别取值为 , 共计进行了 36 组不同的阻尼器参数分析. 结构各主要构件的内力与位移地震响应分析结果如下. 图 4 所示为设置不同速度指数和阻尼参数的阻尼器时,3 # 4 # 主塔的阻尼器最大阻尼力的变化规律. 从图 4 可以看出, 当阻尼系数一定时, 阻尼器的最大阻尼力随着速度指数的增大而减小 ; 当速度指数一定时, 阻尼器的最大阻尼力随着阻尼系数的增大而增大. 其中, 阻尼系数对阻尼器最大阻尼力的影响较为显著. 对于 36 组阻尼器参数,3 # 主塔阻尼器的最大阻尼力变化范围为 1921~6591kN;4 # 主塔阻尼器的最大阻尼力变化范围为 1887~6556kN. 通常情况, 阻尼器的速度指数越小, 其减震耗能的效果越好, 但其自身产生的阻尼力也随之增大. (a)3 # 主塔阻尼器 (b)4 # 主塔阻尼器 图 4 阻尼器最大阻尼力 Fig.4 Themaximumdampingforceofthetowers 图 5 和图 6 所示为设置不同速度指数和阻尼参数的阻尼器和未设阻尼器时, 梁端纵向位移和主梁主跨跨中挠度的变化规律. 从图 5 可以看出, 当阻尼系数一定时, 梁端纵向位移随着速度指数的减小而减小 ; 当速度指数一定时, 梁端纵向位移随着阻尼系数的增大而减小. 其中, 阻尼系数对梁端纵向位移的影响较为显著. 对于 36 组阻尼器参数, 梁端纵向位移的变化范围为 0.376~1.071m. 未设阻尼器的情况下, 梁端纵向位移为 1.542m. 可见设置纵向阻尼器对减小梁端纵向位移效果明显. 从减小梁端纵向位移角度上看, 阻尼器的速度指数宜取较小值, 阻尼系数取较大值. 图 5 梁端纵向位移 Fig.5 Longitudinaldisplacementofmaingirder 图 6 主梁跨中挠度 Fig.6 Verticaldeflectionofmaingirder 从图 6 中可以看出, 当阻尼系数一定时, 主梁主跨跨中挠度基本随着速度指数的减小而减小 ; 当速度指数一定时, 主梁主跨跨中挠度随着阻尼系数的增大而减小. 其中, 阻尼系数对主梁主跨跨中挠度的影响

4 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 685 2 71 0 304m未设阻尼器的情况 较为显著对于 36组阻尼器参数 主梁主跨跨中挠度的变化范围为 0 下 主梁主跨跨中挠度为 0 331m可见设置纵向阻尼器对减小主梁挠度效果明显从减小主梁挠度角度 上看 阻尼器的速度指数宜取较小值 阻尼系数取较大值 图 7所示为设置不同速度指数和阻尼参数的阻尼器和未设阻尼器时 主塔塔顶纵向位移的变化规律 从图 7可以看出 当阻尼系数一定时 塔顶纵向位移随着速度指数的减小而减小 当速度指数一定时 塔 顶纵向位移随着阻尼系数的增大而减小其中 阻尼系数对塔顶纵向位移的影响较为显著对于 36组阻 尼器参数 塔顶纵向位移的变化范围为 044 9 12 6 1m未设阻尼器的情况下 塔顶纵向位移为 17 72 m可见设置纵向阻尼器对减小塔顶纵向位移效果明显从减小塔顶纵向位移角度上看 阻尼器的速度指 数宜取较小值 阻尼系数取较大值 图 7 主塔塔顶纵向位移 F 7 L l s p l c e me f r p 图 8和图 9为设置不同速度指数和阻尼参数的阻尼器和未设阻尼器时 主塔塔底内力的变化规律从 图中可以看出 阻尼器的阻尼系数和速度指数的变化对主塔的弯矩和剪力的影响相对复杂 影响程度各 不相同但总体上看 设置阻尼器后 可使得主塔的内力响应减小 而阻尼器参数的改变对主塔内力的影 响相比对结构变形的影响要小 图 8 主塔塔底纵向弯矩 F 8 L lm me f rb m 图 9 主塔塔底纵向剪力 F 9 L ls h e rf r c e f rb m

5 686 第 41 卷 对于桥梁所采用粘滞阻尼器的合理参数应综合考虑结构各主要构件在地震作用下的内力与位移响应 [5]. 通过对该大跨度斜拉桥设置的纵向阻尼器的多组参数进行优化分析与比较, 研究阻尼器参数对构件关键截面内力及变形的影响规律, 最终推荐该桥阻尼器参数取值为 : 阻尼系数 3100, 速度指数 结语通过对大跨度斜拉桥在主塔与主梁之间设置阻尼器的纵桥向减震措施的研究可以得到以下结论 : 1) 与未设置阻尼器的纵向漂浮体系相比, 纵桥向设置粘滞阻尼器后可有效减小主梁及主塔等主要构件的内力与位移地震响应. 2) 通过对粘滞阻尼器参数的优化分析与比较, 可知阻尼器的速度指数和阻尼系数的变化, 对结构不同构件的内力与位移响应有着不同程度的影响和规律. 总之, 为减小大跨度斜拉桥的纵桥向地震响应, 可采取在塔梁之间设置阻尼器的减震措施. 为获得最优的减震效果, 需对阻尼器参数进行优化分析, 综合考虑结构各关键部位的受力及变形情况, 根据优化目标确定合适的阻尼器参数. 参考文献 : [1] 范立础. 桥梁抗震 [M]. 上海 : 同济大学出版社,1997. [2] 林元培. 斜拉桥 [M]. 北京 : 人民交通出版社,2004. [3] 叶爱君, 胡世德, 范立础. 超大跨度斜拉桥地震位移控制 [J]. 土木工程学报,2004,37(12): [4] 李忠献, 周莉, 岳福青. 城市桥梁粘滞阻尼器防地震碰撞分析与参数设计 [J]. 地震工程与工程振动,2006,26(5): [5] 王志强, 胡世德, 范立础. 东海大桥粘滞阻尼器参数研究 [J]. 中国公路学报,2005,7(3): ( 责任编辑 : 杨青 )

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