城市高架桥粘滞流体阻尼器减震理论分析研究

崔志刚， 李 林， 袁 涌

(1.天津城建设计研究院有限公司，天津 300072;2.华中科技大学 土木工程与力学学院，湖北 武汉 430074)

桥梁工程作为生命线工程的重要组成部分，在地震中一旦遭到破坏，无论修复重建还是改线绕行都将十分困难，会对抗震救灾工作产生严重的影响。因此，对高烈度地震区域的桥梁结构进行有效地抗震保护就显得尤为重要。进而，为确保结构在地震中的安全性，对减隔震性能加以研究具有十分重要的社会意义和经济效益。为了减小地震引起桥梁结构的破坏，保护处于高烈度地震区中公路、桥梁结构的安全，各国学者对桥梁结构的减震进行了广泛、深入的研究。近20年来，国外在桥梁减、隔震和延性抗震方面进行了许多研究，美国、新西兰和日本等在桥梁设计规范中都列入了相应的条款。从各国家的桥梁减隔震技术应用情况来看，桥梁减震设计中最常采用的隔震装置是滞流体阻尼器，且通常安装在桥梁上部结构与桥墩或桥台之间。除了改善高烈度区域桥梁的整体抗震性能，隔震支座与粘滞流体阻尼器还可以有效地改善桥梁的运营状态。

本桥主桥桥址场地地震基本烈度为8度、设计基本地震加速度值为0.20g，本桥采用混凝土结构，自重较大，由强震产生的水平地震力十分可观，相关构件尤其是下部墩柱基础很难承受。而该桥作为大型桥梁，有必要确保其具备一定抗震能力。因而对主桥采用粘滞流体阻尼器的减震技术来降低地震力[1～3]。

本文对东北二环东西主线南幅桥主桥的减震设计进行了非线性时程有限元分析，对减震与非减震桥梁的减震效果进行对比分析，同时检验该桥在地震作用下能否满足预期的功能要求，从理论上对东北二环东西主线南幅桥主桥的减震效果进行研究。

1 有限元模型

1.1 工程介绍

东北二环东西主线桥南侧桥梁起点桩号K0+327.270，起桥高度 3.4 m，终点桩号 K0+958.548，落桥高度3.5 m，桥梁全长654.5 m，桥梁总宽13.0 m，匝道处局部加宽;在桥墩顶端放置GPZ(Ⅱ)系列支座。东北二环东西主线南幅桥采用4个粘滞阻尼器，在8号墩和11号墩的墩与梁之间各安装2套，8号墩的阻尼器型号ZNQ800，阻尼器力学公式为 F=1000×V0.4，11号墩的阻尼器型号ZNQ1000，阻尼器力学公式为F=1500 ×V0.35。

现取2×26.5(等宽)+(31+51+31)(跨地裂缝)+24.5+4×30(等宽)三联为研究对象，这部分桥型布置如图1所示。

图1 东北二环东西主线南幅桥6-16号桥墩桥型图

图2 桥梁有限元计算模型

1.2 有限元计算模型

采用有限元程序Ansys对该大桥进行抗震计算，采用空间梁单元beam188模拟预应力混凝土连续梁桥的主梁和桥墩;二期恒载采用集中质量单元mass21模拟;GPZ(Ⅱ)系列支座用单元combine39来模拟，单元的临界滑动摩擦力为:

式中，μ为滑动摩擦系数，FN为桥梁自重作用下支座的反力。

减震结构考虑墩与梁之间纵桥向减震，采用combine37单元来模拟粘滞流体阻尼器。分析中边界条件为桥墩根部完全固定，考虑的荷载包括桥梁自重以及桥纵向水平地震作用。考虑到各联之间的相互作用，计算中将6～16墩作为一个整体进行计算。这部分桥梁有限元模型简图如图2所示。为了进行对比研究，分析计算工况包括非减震状态和采用粘滞流体阻尼器进行减震。

2 分析用地震波

在进行该桥梁的地震时程响应计算时，依据公路工程抗震设计规范规定，应采用多条地震波进行计算分析，为便于比较，现选用3条地震波进行分析，分别为三条经调整与设计反应谱相容的El Centro波和Kobe波以及Taft波。根据设计单位提供的资料，该桥场地类别为Ⅱ类场地土，抗震设防烈度为8度，根据抗震规范，该桥的抗震重要性系数Ci对E1地震作用取0.5，对E2地震作用取1.7，Cs场地系数取1，Cd阻尼调整系数取1，A设计基本加速度峰值取0.2g。

3 时程分析结果

本文中将分别对该桥进行非减震分析和减震分析。非减震状态地震作用下GPZ(Ⅱ)系列支座已经开始滑动，结构变为非线性结构，因此在地震作用下桥梁的地震反应计算只能用时程分析法。而非减震状态下仅计算E2地震作用下顺桥向的结构响应。

在地震作用下，粘滞流体阻尼器进入强烈非线性状态而耗能，因此，减震状态下顺桥向的地震反应计算也只能用时程分析法。在E1地震作用下，地震水平力合理的分配在各个桥墩中，减少了地震力集中的现象，改善了结构的受力不均匀，阻尼器作用较小，因此不予计算;而在E2地震作用下粘滞流体阻尼器将会大幅度降低墩顶位移，减少桥墩底部的内力。因此仅计算在E2地震作用下，顺桥向所对应的墩顶最大位移和墩底的相应内力。

由分析可知，在El-centro1波作用下，结构的响应最为明显，墩顶位移和墩底的相应内力为三种波作用中最大的，这里只列出El-centro1波作用下产生的墩顶位移和墩底内力，其中表1为非减震结构和减震结构的墩顶位移对比，表2为非减震结构和减震结构的墩底内力对比。

表1 非减震和减震墩底内力对比

(续表)

表2 非减震和减震墩顶位移对比

4 结论

(1)在E2地震作用下，非减震结构固定墩剪力过大，导致支座剪切破坏，严重影响桥梁的安全运行，甚至导致桥梁倒塌。

(2)在E2地震作用下，减震结构墩底弯矩和剪力更合理地分布在各个墩上，弯矩最大减震率达85%，剪力最大减震率达84%，保证了桥梁的安全运行。

(3)建议在9号墩和12号墩处用120的伸缩缝。

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