第 4 期王冰等院黏滞阻尼器在某大跨度钢桁架铁路梁桥中的应用研究 105 bridge under rare earthquakes. Key words 院 Long span steel truss bridge 曰 Railway bridge 曰 Energy dissipation sy

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1 第 36 卷第 4 期 2016 年 12 月 SOUTH CHINA JOURNAL OF SEISMOLOGY Vol. 36 袁 NO.4 Dec. 袁 2016 王冰袁谭平袁马安财袁等. 黏滞阻尼器在某大跨度钢桁架铁路梁桥中的应用研究 [J]. 袁 2016 袁 36 渊 4 冤院 [WANG Bing 袁 TAN Ping 袁 MA Ancai 袁袁 et al. Application of Fluid Viscous Dampers in a Long Span Steel Truss Girder Railway Bridge [J]. South china journal of seismology 袁 2016 袁 36 渊 4 冤院 ] 黏滞阻尼器在某大跨度钢桁架铁路梁桥中的应用研究王冰袁谭平袁马安财袁周福霖渊广州大学减震控制与结构安全国家重点实验室培育基地袁广州冤摘要院以某大跨度的铁路钢桁架连续梁桥为工程背景袁基于有限元软件 SAP2000 建立其三维有限元模型袁采用非线性动力时程分析方法分析了在罕遇地震作用下黏滞阻尼器对大跨度高墩连续钢桁架梁桥的减震效果袁研究了黏滞阻尼器参数对减震效果的影响规律遥研究结果表明院通过对黏滞阻尼器的合理布置和参数优化可以有效减小大跨铁路桥梁的主梁位移和墩底内力袁显著改善其强震下的抗震性能遥关键词院大跨钢桁架梁桥曰铁路桥曰消能减震曰黏滞阻尼器曰参数优化中图分类号院 TU 文献标志码院 A 文章编号院渊 2016 冤 DOI /j.hndz Application of Fluid Viscous Dampers in a Long Span Steel Truss Girder Railway Bridge WANG Bing 袁 TAN Ping 袁 MA Ancai 袁 ZHOU Fulin 渊 Cultivation Base for State Key Laboratory of Seismic Control and Structural Safety, Guangzhou University 袁 Guangzhou 袁 China 冤 Abstract 院 This paper systematically studied a long span steel truss continuous railway bridge, which is a practical engineering, and built a 3D finite element model for this bridge within the environment of SAP2000. A non-linear dynamic time-history analysis method was conducted to investigate the control effectiveness of the installed viscous dampers upon this long span continuous steel truss girder railway bridge. Parameter optimization of viscous dampers is carried out to economically improve the performance of the railway bridge. The research results show that the displacement of girder and the internal force responses of pier bottom of the bridge can be reduced significantly by fluid viscous dampers on condition that the fluid viscous devices are of optimal placement and parameters, thus greatly enhance the safety of the high pier large span steel truss continuous 收稿日期院基金项目院 973 计划渊 2011CB 冤袁国家自然科学基金重点项目渊冤作者简介院王冰渊冤袁男袁硕士研究生袁主要从事结构减震控制研究. 院 bing_ce@163.com.

2 第 4 期王冰等院黏滞阻尼器在某大跨度钢桁架铁路梁桥中的应用研究 105 bridge under rare earthquakes. Key words 院 Long span steel truss bridge 曰 Railway bridge 曰 Energy dissipation system 曰 Fluid viscous dampers; parameter optimization 0 引言随着我国钢材产量的增加以及施工技术的提高袁在铁路桥梁设计中开始较多的采用钢结构桥梁遥由于钢材具有强度高尧材质均匀尧塑性及韧性良好和可焊性好等诸多优点袁因此袁用钢材建造的桥梁具有跨越能力大尧适合工业化制造以及安装速度快等特点遥其中钢桁架桥以其布置灵活袁结构稳定等特点也较多的应用到铁路桥梁建设中 [1] 遥大跨度桥梁比较明显的特点是整体结构刚度较柔袁阻尼较低袁对地震尧风及行车荷载较为敏感袁因此需要振动控制遥在各种振动控制技术中袁阻尼器能够针对大跨度桥梁阻尼低的特点袁显著提高结构的阻尼袁减震效果较好袁得到广泛的应用遥液体黏滞阻尼器 [2] 是在工程中应用比较广泛和成熟的速度相关型阻尼器遥黏滞阻尼器在桥梁工程中首次应用于美国金门大桥的抗震加固 [3] 袁此后国内外科研人员开始从事这方面的研究袁并在一些实际桥梁中进行了应用与总结 [4-6] 遥韩万水 [7] 等通过对设置黏滞阻尼器斜拉桥纵向非线性地震反应的分析袁讨论了黏滞阻尼器各参数对结构地震响应的影响遥宋子威 [8] 等以杭州钱江铁路新桥主桥为工程背景袁研究了黏滞阻尼器在高速铁路长联大跨连续梁中的应用遥张超 [9] 等以一座悬索桥为工程背景袁研究了黏滞阻尼器参数 C 和琢的不同组合对该桥的关键部位内力及变形影响规律并做了参数优化遥从以上也可以看出黏滞阻尼器在大跨度斜拉桥尧悬索桥尧混凝土连续梁桥中应用较多袁而在大跨度钢桁架梁桥中则应用的较少遥本文以某实际大跨高墩钢桁架连铁路续梁桥工程为背景袁通过在墩顶与桥面之间设置黏滞阻尼器来增强该铁路桥梁在大震下的地震安全性袁研究黏滞阻尼器对大跨度铁路桥梁的抗震性能影响规律袁得到的相关结论对铁路桥梁的设计具有重要的参考价值遥叉斜撑遥该桥为变高度钢桁架桥袁跨中及边支点处桁高 16m 袁中支点处桁高 36.0m 袁主桁中心间距为 16m 遥主桁采用 N 型及 K 型桁架遥车行道桥面板布置主桁上方袁每个节间设置钢横梁 5 道袁主桁下弦杆节间设置交叉式平联遥地震波选取了一条人工波和两条天然波袁其中人工波由地震安全性评价工作报告给出袁天然波选取的是较为典型的 EL Centro 波和 Taft 波遥地震波的时程和功率谱曲线如图 1 所示遥三条波的能量在频率上分布都较为集中袁主要分布在 8Hz 1 工程背景该工程为跨度渊 108m +152m +249m +152m + 108m 冤的钢桁架桥袁主桥从左向右依次为 1#~4# 墩袁墩高分别为 53m 尧 149m 尧 153m 尧 53m 遥桥墩为 C40 混凝土空心双柱式桥墩袁双柱之间设有交图 1 地震波的时程和功率谱曲线 Fig.1 Time-histories and power spectra curve of earthquake records

3 卷之内遥该桥梁的抗震设防烈度为 7 度袁场地类型为域类袁罕遇地震波加速度峰值统一调整为 0.227g 遥考虑阻尼器的非线性对结构地震反应的影响袁采用非线性时程分析方法对结构的地震响应进行有限元分析遥地震激励采用纵向 + 横向 + 竖向组合的输入方式袁其中竖向地震作用取水平地震作用值的 0.65 倍遥 2 有限元模型及动力特性分析 2.1 有限元模型采用通用有限元软件 SAP2000 建立该大跨钢桁架桥梁结构的有限元模型袁其中上尧下弦杆袁斜撑袁桩及墩柱等均采用三维空间梁单元模拟袁桥面板采用壳单元模拟遥黏滞阻尼器采用 Damper 单元的 Maxwell 模型模拟遥二期恒载等效为线荷载均匀施加在主梁上袁其动力分析模型如图 2 所示遥常规的抗震设计方案中袁主梁与桥墩台之间的约束形式平面图如图 3 所示遥频率及其对应的振型说明袁如表 1 所示遥桥梁结构的基本自振周期为 5.35 s 袁属于长周期类结构遥其自振频率分布较均匀且密集袁无跳跃现象遥第一阶振型为主梁纵飘袁纵飘对桥梁结构的纵向地震反应贡献比较大遥表 1 桥梁自振频率及振型特点 Table 1 Natural frequencies and vibration modes of the bridge 阶数频率 /Hz 周期 /s 振型特点主梁纵飘主梁一阶横向振动 # 墩纵向振动主梁一阶反对称横向振动主梁二阶横向振动主梁扭转主梁对称竖向振动主梁横向振动主梁扭转 # 墩纵向振动 3 阻尼器布置及参数优化图 2 动力分析模型 Fig.2 Dynamic analysis model 液体黏滞阻尼器是通过高黏性的液体渊如硅油冤中活塞的运动来耗能袁这种阻尼器能在较大的频率范围内都呈现出比较稳定的阻尼特性遥典型的液体黏滞阻尼器的力学特性可由下式表述院琢 F=C 窑 V 渊 1 冤式渊 1 冤中袁 F 院阻尼力曰 C 院阻尼系数曰琢院阻尼指数曰 V 院阻尼器两端相对运动速度曰阻尼力和最大冲程是阻尼器的主要指标袁而阻尼系数和阻尼指数是阻尼器控制作用大小的两个关键参 [11] 数遥阻尼指数琢的取值一般在 0.3~1.0 之间袁且琢取值越小袁滞回曲线越饱满袁耗能效果越明显遥阻尼系数 C 的取值则对阻尼力 F 的影响较大遥 3.1 阻尼器布置方案图 3 支座布置示意图 Fig.3 Sketch map of bearings arrangement 考虑桩 - 土 - 结构的相互作用袁用 Spring 单元 [10] 模拟桩结构周围土的抗力影响遥根据 m 法确定 Spring 单元的位置及刚度袁桩基础底部固结遥 2.2 结构动力特性分析桥梁有限元模型采用 SAP2000 内置的子空间迭代法进行结构动力特性分析袁获得了桥梁前 100 阶自振频率遥限于篇幅袁仅列出前 10 阶结构自振钢桁架桥在水平地震动作用下的主梁纵向位移和制动墩墩底内力是桥梁抗震设计的主要控制目标遥在大跨度桥梁中袁一般在活动墩墩顶和主 [12] 梁之间设置阻尼器袁可使阻尼器获得最大的变形遥考虑到桥墩为非规则高墩袁在每个活动墩处各设置两个黏滞阻尼器袁桥台处各设置两个黏滞阻尼器袁共设置 10 个黏滞阻尼器袁其布置方案如图 4 所示遥 3.2 阻尼器参数从抗震的角度出发袁实际工程应用中一般取

4 为第 4 期王冰等院黏滞阻尼器在某大跨度钢桁架铁路梁桥中的应用研究 107 图 4 黏滞阻尼器布置方案 Fig.4 Arrangement scheme of fluid viscous dampers 阻尼指数琢 =0.3~0.5 袁再选取阻尼系数 C=2500~5 000 kn 伊渊 s/m 冤琢进行试算袁在此范围内可根据减震的具体目标确定阻尼指数和阻尼系数遥结合本例工程袁阻尼指数琢取值 0.3 尧 0.35 尧 0.4 尧 0.45 尧 0.5 袁阻尼系数 V 取值尧尧尧尧尧袁共 30 个工况遥在进行钢桁架桥梁非线性时程分析中袁选取以下构件的内力及位移响应作为减震效果的评价依据院主要评估主梁的位移反应袁 1~4# 墩底的内力反应袁以及黏滞阻尼器自身的阻尼力和变形遥 4 结构地震反应分析及参数优化 4.1 未设黏滞阻尼器 5 跨连续钢桁架桥袁 2# 墩设置固定支座袁其余墩设置滑动支座袁不设阻尼器袁顺桥向罕遇地震作用下的结构关键截面的动力响应如表 2 所示院表 2 罕遇地震作用下结构动力响应遥由表 2 可知院顺桥向罕遇地震作用下袁 2# 制动墩和 3# 滑动墩均承受了较大的内力袁与一般规则连续梁桥地震作用主要由制动墩承担不太一样袁应特别重视遥由于 3# 滑动墩墩身较高袁 3# 墩底弯矩和剪力和墩顶表 2 罕遇地震作用下结构动力响应 Table 2 Dynamic responses of structures under rare earthquakes 荷载工况动力响应人工波 ELCentro Taft 主梁位移 /m # 墩顶位移 /m # 墩底剪力 /kn # 墩底剪力 /kn # 墩底剪力 /kn # 墩底剪力 /kn # 墩底弯矩 / 渊 kn 窑 m 冤 # 墩底弯矩 / 渊 kn 窑 m 冤 # 墩底弯矩 / 渊 kn 窑 m 冤 # 墩底弯矩 / 渊 kn 窑 m 冤位移均较大袁也需重点关注遥 1# 和 4# 墩承受的地震作用则相差不大遥此桥为铁路桥袁对桥梁的纵向位移要求较高且桥梁的一阶模态为主梁纵飘袁因此对纵桥向采取减震措施是非常有必要的遥 4 设置黏滞阻尼器由原桥抗震分析可知不同地震波对结构的动力反应差别较大袁其中人工波作用下结构的动力响应最大遥以下为输入人工波时黏滞阻尼器各参数对结构地震响应的影响曲线遥由图 5~10 可知院当阻尼指数琢一定时袁 2# 固定墩墩底弯矩和剪力均随着阻尼系数增大而减小且减小的幅值越来越小曰 3# 滑动墩墩底弯矩和墩顶位移也是随阻尼系数的增大而减小且减小的趋势变缓袁但剪力则减小到一定程度后又有上升的趋势袁说明阻尼器对剪力的控制效果下降曰主梁位移则随着阻尼系数的增大呈现先减小后增大的规律遥 4.3 参数优化由于地震动具有随机的特性袁且不同的地震波对结构的影响较大袁输入三条地震波袁取主梁结构反应的包络值袁以此来确定最终的阻尼器参数遥从大震作用关键构件位移和内力情况可以得出院 2# 和 3# 高墩墩底的内力在给定阻尼指数琢下随着阻尼系数 C 的增大而减小袁但减小的幅值不再明显曰主梁位移则在给定阻尼指数琢下袁存在一个最优的阻尼系数 C 使得主梁位移最小遥综合主梁位移的大小尧阻尼器的制作成本以及 2# 尧 3# 墩底的内力情况最终本规程推荐黏滞阻尼器参数琢 =0.35 袁 C=4 000 遥 5 减震效果由于该桥在人工波作用下的动力响应较两条天然波的大很多袁所以减震效果主要看人工波这

5 卷阻尼系数 C/ 渊 kn 窑渊 s/m 冤冤阻尼系数 C/ 渊 kn 窑渊 s/m 冤冤图 5 2# 墩底弯矩与阻尼系数 C 关系图 6 2# 墩底剪力与阻尼系数 C 关系 Fig.5 Moment of bottom of 2# pier vs damper coefficient C Fig.6 Base shears of 2# pier vs damper coefficient C 阻尼系数 C/ 渊 kn 窑渊 s/m 冤冤阻尼系数 C/ 渊 kn 窑渊 s/m 冤冤图 7 3# 墩底弯矩与阻尼系数 C 关系 Fig.7 Moment of bottom of 3# pier vs damper coefficient C 图 8 3# 墩底剪力与阻尼系数 C 关系 Fig.8 Base shears of 3# pier vs damping coefficient C 阻尼系数 C/ 渊 kn 窑渊 s/m 冤冤阻尼系数 C/ 渊 kn 窑渊 s/m 冤冤图 9 主梁位移与阻尼系数 C 关系 Fig.9 Displacement of girder vs damping coefficient C 图 10 3# 墩顶位移与阻尼系数 C 关系 Fig.10 Top displacement of of 3# pier vs damping coefficient C

第 4 期王冰等院黏滞阻尼器在某大跨度钢桁架铁路梁桥中的应用研究 109 一荷载工况遥纵桥向罕遇地震人工波作用下 3# 墩顶处黏滞阻尼器的滞回曲线如图 11 所示袁曲线较为饱满袁耗能效果良好遥该桥在顺桥向人工波作用下减震前后的主梁位移时程如图 12 所示遥 3 种地震波工况下主梁顺桥向减震前后位移如表 3

12 Longitudinal displacement histories of girder 从表 3 可以看出院 2 条天然波作用下主梁的位移相差不大袁但与人工波相比则相差较大遥在以上地震荷载工况下袁设置黏滞阻尼器后的结构减震率为分别为 71% 尧 53% 尧 47%

袁墩底剪力减震率分别为 55% 尧 15% 尧 41% 尧 45% 袁显著减小了 2# 尧 3# 高墩的地震响应遥表 3 减震前后主梁位移 Table 3 Displacement of girder of bridge with or without viscous dampers 主梁位移 /m 人工波 EL

6 第 4 期王冰等院黏滞阻尼器在某大跨度钢桁架铁路梁桥中的应用研究 109 一荷载工况遥纵桥向罕遇地震人工波作用下 3# 墩顶处黏滞阻尼器的滞回曲线如图 11 所示袁曲线较为饱满袁耗能效果良好遥该桥在顺桥向人工波作用下减震前后的主梁位移时程如图 12 所示遥 3 种地震波工况下主梁顺桥向减震前后位移如表 3 所示袁位移减震效果较好遥图 11 黏滞阻尼器滞回曲线 Fig.11 Hysteresis curves of fluid viscous damper 图 12 主梁顺桥向位移时程 Fig.12 Longitudinal displacement histories of girder 从表 3 可以看出院 2 条天然波作用下主梁的位移相差不大袁但与人工波相比则相差较大遥在以上地震荷载工况下袁设置黏滞阻尼器后的结构减震率为分别为 71% 尧 53% 尧 47% 袁显著减小了主梁在顺桥向罕遇地震作用下的位移袁效果比较明显遥图列出了纵桥向各桥墩减震前后的墩底内力袁可以看出未设阻尼器时袁 2# 制动墩和 3# 滑动墩墩底弯矩和剪力均较大袁设置黏滞阻尼器后 1# 尧 2# 尧 3# 尧 4# 墩底弯矩减震率分别为 55% 尧 52% 尧 46% 尧 44% 袁墩底剪力减震率分别为 55% 尧 15% 尧 41% 尧 45% 袁显著减小了 2# 尧 3# 高墩的地震响应遥表 3 减震前后主梁位移 Table 3 Displacement of girder of bridge with or without viscous dampers 主梁位移 /m 人工波 EL Centro Taft 减震前减震后减震率 71% 53% 47% 图 13 减震前后墩底弯矩 Fig.13 Pier bottom moments of bridge with or without viscous dampers 图 14 减震前后墩底剪力 Fig.14 Pier base shears of bridge with or without viscous dampers

7 卷 6 结语渊 1 冤大跨度高墩连续钢桁架铁路桥强震下顺桥向地震反应较大袁通过在墩台与桥面之间设置黏滞阻尼器后可有效增强铁路桥梁在大震下的地震安全性遥渊 2 冤研究得到了黏滞阻尼器的阻尼指数琢和阻尼系数 C 的不同组合对大跨高墩连续钢桁架铁路桥梁关键构件位移及内力的响应规律遥在琢一定时袁 2# 和 3# 墩底内力随着阻尼系数 C 的增大而减小袁但减小的幅值逐渐变小曰主梁位移则随着阻尼系数 C 的增大先减小后增大遥渊 3 冤大跨度高墩连续钢桁架铁路桥当合理设置黏滞阻尼器后袁顺桥向大震作用下主梁位移最大减震率为 71% 曰 2# 和 3# 墩底弯矩最大减震率分别为 52% 和 46% 曰 2# 和 3# 墩底剪力最大减震率分别为 15% 和 41% 袁有效减小了该桥的主梁和高墩地震响应遥路桥梁抗震设计细则 [S]. 北京院人民交通出版社袁 [11] 段玉凤. 液体黏滞阻尼器的研究和试验 [C] // 中国公路学会桥梁和结构工程分会 2005 年全国桥梁学术会议论文集. 北京院人民交通出版社袁 [ 12] HWANG J S, TSENG Y S. Design Formulations for Supplemental Viscous Dampers to Highway Bridge [J]. Earthquake Engineering and Structural Dynamics 袁 2005 袁 34 渊 13 冤院苏彦江钢桥构造与设计成都西南交通大学出版社陈永祁桥梁工程液体黏滞阻尼器设计与施工北京中国铁道出版社陈永祁马良喆结构保护系统的应用与发展北京中国铁道出版社韩万水黄平明兰燕斜拉桥纵向设置黏滞阻尼器参数分析地震工程与工程振动宋子威蔡小陪黏滞阻尼器在高速铁路长联大跨连续梁中的应用清华大学学报自然科学版张超房贞政独塔自锚式悬索桥纵向设置黏滞阻尼器参数分析地震工程与工程振动中华人民共和国交通运输部公参考文献院 [1]. [M]. 院袁 [2]. [M]. 院袁 [ 3] Charles Seim P. E. The Seismic Retrofit of the Golden Gate Bridge [C]//PRC -US Workshop on seismic analysis and design of special bridges 袁 Shanghai 袁 October [4] 袁. [M]. 院袁 [5] CASAROTTI C. Bridge Isolation and Dissipation Devices: State of the Art Review of Seismic Response and Modelling of Modern Seismic Isolation and Dissipation Devices [D]. Pavia 院 University of Pavia and ROSE School 袁 [ 6] Summary of Evaluation findings for the testing of seismic isolation and energy dissipating devices[r]. ASCE 袁 [7] 袁袁. [J]. 袁 2005 袁 25 渊 6 冤院 [8] 袁. [J]. 渊冤袁 2012 袁 52 渊 8 冤院 [9] 袁. [J]. 袁 2009 袁 29 渊 2 冤院 [10]. JTG/T B

JOURNAL OF EARTHQUAKE ENGINEERING AND ENGINEERING VIBRATION Vol. 31 No. 5 Oct /35 TU3521 P315.

31 5 2011 10 JOURNAL OF EARTHQUAKE ENGINEERING AND ENGINEERING VIBRATION Vol. 31 No. 5 Oct. 2011 1000-1301 2011 05-0075 - 09 510405 1 /35 TU3521 P315. 8 A Earthquake simulation shaking table test and analysis

第 4 期 王冰等院黏滞阻尼器在某大跨度钢桁架铁路梁桥中的应用研究 105 bridge under rare earthquakes. Key words 院 Long span steel truss bridge 曰 Railway bridge 曰 Energy dissipation sy

第 4 期王冰等院黏滞阻尼器在某大跨度钢桁架铁路梁桥中的应用研究 105 bridge under rare earthquakes. Key words 院 Long span steel truss bridge 曰 Railway bridge 曰 Energy dissipation sy