液体粘滞阻尼器对推迟桥梁进入延性状态的影响分析

于海滟

【摘 要】鉴于桥梁延性研究存在的困难及近年来减震装置被广泛的应用，本文提出一种新的观念，即尽量推迟甚至避免结构在地震作用下进入延性状态，以确保结构的安全。并分析了液体粘滞阻尼器装置对于推迟结构进入延性状态的影响情况，计算结果表明，阻尼器对推迟结构进入延性起到了显著的效果。

【关键词】桥梁延性抗震设计；减震装置；液体粘滞阻尼器

【Abstract】In view of the difficulties of bridges ductility seismic research and the widespread use of damping devices in the past decades， we present a new notion which is in order to ensure bridges safety. The notion is trying to delay or even avoid the bridges into ductility state when they resisting seismic， and the influence of fluid viscous dampers for delayed bridges into ductility state is analyzed. The results show that the device plays a remarkable effect to delay bridges into ductility state.

【Keyword】Ductility Seismic Design of Bridge；Damping Devices；Fluid Viscous Dampers

1.前言

地震之所以造成桥梁结构损坏甚至倒塌，是因为地震力超过了结构的承载强度，或在地震作用下结构发生的位移（或变形）超出了其允许限值。理论上讲，如果结构的抗力大于预期可能发生的最大地震力或其允许位移（或变形）大于在该地震力作用下产生的最大位移（或变形），便不会发生破坏。但是，由于强震在桥梁正常使用年限内是种罕遇事件，所以对于大量的普通桥梁结构而言，纯粹的用结构强度来抵御强震作用，无疑是材料和资金的巨大消耗，因此，各国抗震规范中均采用了考虑桥梁结构的延性设计和减震装置等来避免其在强震作用下发生倒塌破坏。

2.推迟结构进入延性的观点

延性定义为在初始强度没有明显退化情况下的非弹性变形能力。它包括2个方面的能力：一是承受较大的非弹性变形，同时强度没有明显下降的能力；二是利用滞回特性吸收能量的能力[1]。延性抗震设计中很重要的一个理论，就是由新西兰学者 Park 和 Paulay于1975年提出的能力保护设计思想[2-4]。其本质是将桥墩作为延性构件，合理选择延性桥墩上塑性铰出现的位置，以牺牲延性构件为代价来保证能力构件（上部结构和基础结构）处于弹性工作状态。我国规范《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01-2008）[5]中也引入了能力保护设计原则。

在过去的地震灾害中，已发现城市高架桥或公路上梁桥的钢筋混凝土墩柱的屈曲、开裂，混凝土剥落、压溃、剪断，钢筋裸露断裂等震害。桥梁作为交通工程上的重要枢纽，一旦在地震中发生损坏，修复周期长，工作量大，会为震后的救援工作带来极大的困难。因此，在桥梁设计之初，需要充分考虑到结构的抗震要求，尽量避免地震中结构发生倒塌。在汶川地震和玉树地震中，就出现了许多结构的脆性破坏。

近几十年，虽然学者们对结构延性进行了大量的研究，然而结构进入塑性后的性能及耗能情况变得相对复杂，无规律可循，这对结构延性的相关研究造成了很大的困难，无法得到精确的研究结果。这使得目前普遍应用的延性抗震准则存在着缺陷，并难以改进。所以我们提倡尽量推迟甚至避免结构进入延性状态的理念，从根本上保证结构在地震中的安全。

本文将采用一种新的减震技术——液体粘滞阻尼器，针对其对于推迟结构进入塑性的效果进行计算分析。这种液体粘滞阻尼器，因其自身几乎没有刚度，所以在正常状态下对结构本身的属性不会产生任何影响，只在震动发生时起到减震耗能作用。经过计算，我们还得出，液体粘滞阻尼器对于延长结构弹性状态、推迟其进入延性状态具有非常显著的效果。

3.阻尼器简介

液体粘滞阻尼器从原理上不难理解：活塞随着结构的运动而运动时，活塞头向一边运动，内设硅油受到挤压，对活塞产生反向粘滞力。同时，硅油从活塞头上的小孔向活塞头的另一端流去，使活塞的受力逐步减少。其基本关系式为[6]：

这里，F–阻尼力；C–阻尼系数；α-速度指数；

4.算例概况

4.1 模型参数

本文选取在汶川地震中发生破坏的某连续梁桥中的一联作为分析对象，跨度为（25×4）m。梁为箱型等截面，梁高1.6m，梁体采用C50混凝土；双柱墩，墩高7.5m，直径1.4m，墩身采用C30混凝土；橋墩从左到右依次编号，3#墩为固定墩，其余均为滑动墩。模型基阶自振周期为1.156s。

4.2 桥墩承载力计算

鉴于本文的主要研究内容为阻尼器对于推迟结构进入塑性的效果分析，且仅针对顺桥向分析，所以文中以墩底塑性铰的发展趋势为依据进行计算。

在墩顶施加顺桥向推力进行pushover分析，得到每个墩柱底部塑性铰的发展趋势。现以3#墩为例，其力—位移曲线如图4-1所示（横轴为墩顶位移，纵轴为墩顶推力）。A点代表铰的屈服，在A点之前，铰内无变形，结构为弹性状态，A点对应推力为792kN；当到达B点时，铰开始失去承载力，即B点为结构极限承载力，在A-B段结构处于塑性状态，B点对应推力为870 kN；C点为pushover分析后的残余强度。

图4-2为墩柱底部塑性铰处弯矩随墩顶推力步数的变化情况（施加在墩顶的推力一步步增大，直至结构进入塑性，然后倒塌）。B点为屈服弯矩，对应值5503kN·m；C点为极限弯矩，对应值6058 kN·m。

用UCFyber软件对墩柱截面进行弯矩-曲率（M～Φ）分析校核。将每个墩柱底所受到的沿橋墩轴向的力分别施加在墩柱截面上，通过计算，得到其弯矩-曲率（M～Φ）曲线，如图4-3所示。修正的屈服弯矩为5562kN·m，极限弯矩为6057 kN·m，与pushover计算的结果基本相符。

以上曲线和数值均为3#墩计算结果。以同样的计算和校核方法得到，1#和5#墩的屈服弯矩为5059 kN·m，极限弯矩为5605 kN·m；2#和4#墩的屈服弯矩为5814kN·m，极限弯矩为6290 kN·m。

5.阻尼器对桥梁延性影响的探讨

选用汶川地震中的一条地震动记录作为输入，其峰值为802.713 cm/s2。对比加设阻尼器前、后结构的地震响应，进而分析阻尼器对结构安全性能的影响。着重讨论阻尼器对于结构进入塑性时所对应的地震动峰值的变化趋势。

5.1 加设阻尼器前、后结构地震响应对比

在2#和4#墩顶和主梁间设置液体粘滞阻尼器，数量为4个，沿顺桥向安放。阻尼系数为C=3000 （kN/（m/s） α），速度指数α=1。

由上表可以看出，加设阻尼器后，3#固定墩的墩顶位移和墩底弯矩都有显著减小，减震率几乎达到50%；而安放了阻尼器的2#滑动墩，其墩顶位移和墩底弯矩都有一定程度增大，但仍远小于其屈服弯矩，处于安全状态，且其墩、梁相对位移减小了56.7%，由25.2mm减小到10.9mm；未安放阻尼器的1#滑动墩的墩顶位移和墩底弯矩没有变化，其地震响应仍然很小，但1#墩的墩、梁相对位移有明显减小，减振率达到37.0%；设置阻尼器后，3#墩顶固定支座的顺桥向受力也相应减少，由791.8kN减小到394.1kN，减小率为50.2%。以上结论说明，在地震动作用下，阻尼器起到了分散和重新分配结构受力的效果，使结构的响应更加平衡，从而保护其性能安全。此时，阻尼器出力为209kN。

5.2 加设阻尼器前、后结构屈服情况对比

加设阻尼器后，结构屈服的地震动峰值由190cm/s2增大到380cm/ cm/s2，两种情况下均是3#桥墩底部塑性铰区弯矩首先达到屈服值，表示3#桥墩开始进入塑性，而其它桥墩仍处于弹性状态。但与未设置阻尼器时不同的是，1#和2#桥墩的墩顶位移和墩底弯矩都有增大，放置了阻尼器的2#桥墩的墩、相对位移呈减小趋势，而未设置阻尼器的1#滑动墩的墩、梁相对位移略有增加，变化不明显。下表为加设阻尼器前、后结构达到弹性极限、开始进入塑性状态的临界点的地震响应情况的比较。

从上表中可以看出，1#和2#桥墩的墩底弯矩分别达到了1087 kN·m 和3383 kN·m，虽然较未设置阻尼器前结构的弹性极限状态下有很大程度的增加，但此时的弯矩值仍小于它们的屈服弯矩5059 kN·m 和5814 kN·m，表明两墩仍处于弹性状态。且通过加设阻尼器，更好的平衡了结构的地震响应，使结构的有效利用率大大增加。

设置阻尼器后，达到屈服状态时，固定墩墩顶的受力较未设置阻尼器时屈服状态下的受力有略微的减小，由之前的792kN变为788kN，这说明设置阻尼器，对原结构的性能不会产生影响。

6.结论

通过对桥梁模型在地震荷载作用下时程分析结果的总结与分析，可得到以下结论：

1、加设阻尼器后，结构屈服的地震动峰值由190cm/s2增大到380cm/ cm/s2，说明阻尼器对推迟结构进入延性起到了显著的效果；

2、加设阻尼器后，固定墩的墩顶位移和墩底弯矩都有显著的减小，其墩顶固定支座的顺桥向受力也相应减少，说明阻尼器有效的分散和消减了固定墩处的受力；

3、安放了阻尼器的滑动墩，墩顶位移和墩底弯矩都有一定程度增大，但仍远小于其屈服弯矩，处于安全状态，而其墩、梁相对位移却显著减小；没有安放阻尼器的滑动墩的墩顶位移和墩底弯矩没有变化，其地震响应仍然很小，但墩、梁相对位移有明显减小；以上结论说明，在地震动作用下，阻尼器起到了分散和重新分配结构受力的效果，使结构的响应更加平衡，从而保护其性能安全；

4、加设阻尼器后，屈服时滑动墩的墩顶位移和墩底弯矩都较未设置阻尼器时增大，但仍处于弹性状态；放置了阻尼器的滑动墩的墩、梁相对位移呈减小趋势，而未设置阻尼器的滑动墩的墩、梁相对位移略有增加，变化不明显；这说明通过加设阻尼器，更好的平衡了结构的地震响应，使结构的有效利用率大大增加；

5、放置了阻尼器的桥墩底部弯矩时程曲线较未放置阻尼器的桥墩清晰，这说明放置了阻尼器的桥墩的地震响应没有其它桥墩激烈，进而证明了阻尼器使其地震响应得到了很好的缓冲；

6、设置阻尼器后，达到屈服状态时，固定墩墩顶的受力较未设置阻尼器时屈服状态下的受力仅有微小变动，这说明设置阻尼器，对原结构的性能几乎不会产生影响；

7、本文建议：规范中对于使用减震装置后，结构应达到的减震率标准给予相应的规定，以便检验减震装置所发挥的效用，并指导减震装置的合理性使用。

参考文献：

[1]李春凤. 汶川地震桥梁震害与延性抗震设计讨论[J]. 公路交通科技，2009，26（4）：98-102

[2]Park，R.，Paulay，T. Reinforced Concrete Structures. New York： John Wiley &Sons，1975

[3]范立础，卓卫东. 桥梁延性抗震设计[M]. 北京，人民交通出版社，2001

[4]袁万城，范立础. 高强混凝土结构的延性抗震设计[J]. 同济大学学报，1994，22（4）：445-450

[5]JTG/T B02-01-2008，公路桥梁抗震设计细则[S]，北京，人民交通出版社，2008.10

[6]陈永祁，耿瑞祁，马良喆.桥梁用液体粘滞阻尼器的减震设计和类型选择[J].土木工程学报，2007，40 （7）：55-61