绵阳三江大桥减震分析

杨勇，宁平华，乐小刚

（广州市政设计研究院，广东广州510060）

绵阳三江大桥减震分析

杨勇，宁平华，乐小刚

（广州市政设计研究院，广东广州510060）

首先，对设置了粘滞阻尼器的绵阳三江大桥进行了纵向非线性地震反应分析。接着，讨论了粘滞性阻尼器各参数对减震效果的影响，并选取最优参数。最后，对比了设置阻尼器前后桥梁主要构件地震反应。

地震响应； 减震； 粘滞性阻尼器

0　前言

强烈的地震给人民的生命财产带来巨大危害，它造成桥梁等重要的交通构筑物破坏后，由于交通中断、救援受阻而扩大了次生灾害，而桥梁要具备抵抗地震作用的能力，需要在建设阶段投入较大的财力。阻尼减震技术针对桥梁阻尼低的特点，能够成倍甚至几十倍提高结构阻尼，抑震效果佳，得到了广泛的应用，并且桥梁减震设置能够有效地减少桥梁抗震投入。粘滞性阻尼器已经被成功地运用到高层建筑、高耸结构、体育馆、海洋平台，甚至卫星发射塔。将粘滞性阻尼器首次应用于桥梁的是美国金门大桥的抗震加固工程。此外建设中的跨越希腊科林斯海峡的雷翁—安蒂雷翁大桥和美国Oakland海湾桥西跨悬索桥加固，都使用了阻尼器。重庆鹅公岩大桥和上海卢浦大桥也安装了阻尼器。但总体来讲，在国内，粘滞阻尼器在桥梁中应用的实例并不多，国内结构有限元软件具有阻尼器单元模块的更是没有。

1　工程背景

绵阳三江大桥工程位于绵阳城南新区内“四横”主干道红塔街上，是区域内路网体系的重要节点。桥梁西起规划路，自西向东分别跨越西岸的涪滨路、涪江和东岸的绵盐大道后接地，桥型如图1所示。主桥采用100 m+200 m+100 m双塔双层支承体系斜拉桥，下层车行桥，上层布置人行桥。人行桥采用”S”曲线形梁，衔接两岸的驳岸，实现行人过江。绵阳三江大桥工程位于龙门地震带附近，是汶川地震后绵阳建设的首座大型桥梁，为了减小桥梁的地震反应，节约投资，在梁与墩之间设置了粘滞性阻尼器。该项工程于2009年开始施工，2012建成通车。

2　有限元模型的建立

（1）主桥整体空间有限元模型采用大型结构分析软件进行建模，主塔、主梁、墩柱，以及桩基均采用空间梁单元模拟，斜拉索采用桁架单元，承台采用板壳单元。模型分析采用有限元位移理论，计入了结构的几何刚度、斜拉索的垂度效应，以及坐标修正的结构大位移等诸因素对计算的影响。车、人行桥主梁均采用单梁形式模拟，主梁与边墩、塔柱相连接处按支座参数进行自由度弹性约束，从而模拟实际的桥梁结构。主桥整体有限元模型如图2所示。

采用midas一般连接特性中maxwell粘滞阻尼模型，如图3所示。

（2）粘滞性阻尼器的阻尼力与相对速度的关系为：

其中，F为阻尼力，kN；C为阻尼系数，kN/s/m；V为速度，m/s；a为速度指数（无单位）。速度指数a的常用取值范围为0.2～1.0。

该项分析采用E2概率下纵向C波作为激励，计算分析了车行桥阻尼器阻尼系数C在5000～25000 kN/s/m范围；人行桥阻尼器阻尼系数在5000～20000 kN/s/m范围；车、人行桥阻尼器速度指数在0.2～1范围内。

（3）对绵阳三江大桥主桥进行抗震能力分析验算时，选用50 a超越概率10%（E1）和50 a超越概率2%（E2）两个概率水准的地震加速度反应谱和时程作为输入，分别进行两水平的地震反应分析。反应谱曲线如图4所示。

图1　主桥桥型立面图

图2　主桥有限元模型

图3　粘滞阻尼器模型

图4　两个概率水准的反应谱曲线图

3　分析结果

3.1桥梁的动力特性

在进行地震反应分析前，需要对结构的动力特性（频率和振型）进行分析计算。对三江大桥主桥计算分析了前180阶模态，结果表明振型参与质量满足大于90%的要求，现将前5阶模型的频率分析结果及各阶振型特点列于表1。

表1　模型前5阶振型频率及振型特点表

3.2阻尼器参数比选

通过计算不同的阻尼参数得到桥梁结构的响应，绘制出了粘滞阻尼器各参数对结构地震响应的影响曲线，见图5～图8所示。

图5　塔顶纵向位移曲线图

图6　车行桥主梁纵向位移曲线图

图7　塔底弯矩曲线图

图8　塔底剪力曲线图

可以看出，当阻尼器的阻尼指数a一定时，随着阻尼系数C的增大，梁端位移、塔顶位移、阻尼器位移基本上线性减小，而塔底弯矩和剪力则线性增大。当阻尼系数C一定时，梁端位移、塔顶位移、阻尼器位移随着阻尼指数a的增大而增大，而塔底弯矩和剪力则随着阻尼指数a的增大而减小。因此，阻尼器参数的选择要兼顾位移和内力。

3.3安装阻尼器后结构的地震反应

为验证阻尼器减震的有效性，对安装阻尼器前后的桥梁结构进行了对比，对比结果如表2所列。可以看出，设置阻尼器后桥梁的地震位移和塔底弯矩显著减小，塔底剪力增大。

表2　设置阻尼器前后地震反应对比表

4　结论

粘滞性阻尼器的减震效果，与桥梁的结构特点和参数设置有密切的关系，设置时需要反复计算，综合比选，否则当参数选取不当时，会取得相反的效果。该项工程设置纵向粘滞阻尼器后，有效地降低结构塔顶、纵梁在地震作用下位移，改善了部分构件的地震力。

U442.5+5

B

1009-7716（2015）02-0054-03

2014-11-12

杨勇（1973-），男，湖北黄冈人，高级工程师，从事桥梁工程设计与技术管理工作。