悬索桥粘滞阻尼器参数优化研究

浦丽+李庆达+杨宇+张晓杰

摘要：本文通过对悬索桥工程实例进行建模计算分析，选取7组地震波平均值，采用非线性时程分析方法，选取42种不同阻尼系数、速度指数的工况进行计算，分析对地震作用下桥梁结构的影响，为阻尼器的参数优化选取提供依据。

Abstract： Based on the modeling， calculation and analysis of the suspension bridge engineering example， seven groups of seismic wave average are selected， and the nonlinear time history analysis method is used， the influence of 42 kind of working condition with different damping coefficient and velocity index on the bridge structure under earthquake action is analyzed， which provides the basis for the optimization of the parameters of the damper.

关键词：悬索桥；粘滞阻尼器；参数优化

Key words： suspension bridge；viscous dampers；parameter optimization

中图分类号：U448.25 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）20-0102-03

0 引言

悬索桥属柔性体系，运营过程中桥面系产生位移较大，导致其主桥伸缩缝及各部位结构反应较大。通常的做法是在主桥桥面系两端纵向安装阻尼器，以减小梁端位移及桥梁结构各部位结构反应，保护伸缩缝及各结构，同时在发生地震时，减小桥梁结构反应。

粘滞阻尼器如图1所示，主要由活塞、缸体、流体组成，由于缸内被硅油或其它粘滞流体填充而得名。粘滞阻尼器的活塞在缸体内做往复运动，根据流体运动，缸内流体通过节流孔时会产生节流阻力，其阻力与活塞运动速度有关。地震发生时，阻尼器将振动能量通过粘滞阻尼材料转化为热能，吸收和消耗地震对桥梁结构的冲击，从而缓解对其造成的冲击和破坏。

本文主要研究粘滞阻尼器选用不同阻尼系数、速度指数时对桥梁结构地震作用下的影响，优化阻尼器参数的选用，增加桥梁结构的抗震能力，同时又经济而适用。

1 阻尼器力学模型简介

目前，国内外学者对粘滞阻尼器进行了大量研究，分别考虑阻尼器的不同情况提出了多种分析模型，主要为线性模型、Kelvin模型、Maxwell模型等。

当阻尼器依赖频率特性时，可采用Maxwell模型，其“阻尼器-刚度连续化”理论可得到更为精确的计算结果。当阻尼器中的流体性质类似粘弹性材料时，综合考虑Maxwell模型及Kelvin模型，分析结果更为精确，该模型即为Wieehert模型。

Kelvin模型考虑了粘滞阻尼器的流体刚度特性，本文采用kelvin模型进行计算分析。Kelvin模型考虑阻尼器由并联连接弹簧组成，相邻节点发生碰撞的碰撞力表示如下：

Fc=kk（u1-u2-gp）+ck（1-2），u1-u2-gp？叟00，u1-u2-gp<0 （1）

式中，ck为阻尼系数，kk为弹簧刚度，u1、u2为相邻节点的位移。

2 算例

2.1 工程背景

本文以某大跨径悬索桥为例，主跨布置为320m+1196m+320m，跨越高原深切峡谷而建，钢筋混凝土主塔，桥面系为流线型扁平钢箱梁，大桥纵向安装粘滞阻尼器，在横梁位置处设置横向抗风支座。

2.2 建模说明

本文采用有限元软件建模，其模型如图3所示。建模利用索單元模拟主缆及吊索，采用空间梁单元模拟主塔、横梁，主桥桩基础采用弹簧单元模拟桩土作用，同时考虑引桥对结构动力特性的影响。

2.3 计算参数选取

阻尼系数和速度指数见表1，设防标准按基准年限100年超越概率10%来考虑，计算选取E1作用下的7组地震波结果的平均值作为地震输入。共进行42种不同阻尼系数、速度指数的工况计算分析。

3 计算结果

不同工况的计算结果如图5～图15所示。

阻尼器速度指数较小时，有利于减小结构各部位的位移，但与主塔内力控制存在矛盾，即较小的速度指数会增大主塔内力。

较大的阻尼系数有利于控制主塔位移，但超过8000kN/（m/s）n后将不在显著。同时与主塔内力控制存在矛盾，较大的阻尼系数会增大主塔内力。

4 结论

本文通过对阻尼器设定了42种工况进行计算分析，得到结论如下：

①阻尼系数增大，有利于控制主塔结构的位移，但超过8000kN/（m/s）n后效果不再显著。

②主塔结构的位移与内力存在矛盾，较大的阻尼系数会导致主塔内力增大，并逐渐接近未安装阻尼器的受力状况。

③速度指数减小，对控制结构位移有利，但较小的速度指数会增加主塔内力。

④综合结构内力及位移情况，单侧纵向阻尼器阻尼系数总和取10000～15000kN/（m/s）n、速度指数取0.2～0.3为宜。

⑤阻尼器参数的选取，最总需综合考虑造价、其他荷载要求等因素，进而确定其数量、阻尼系数和速度指数。

参考文献：

[1]孙传智，李爱群，缪长青，黎少华，乔燕.减震结构粘滞阻尼器参数优化分析[J].土木建筑与环境工程，2013（01）：80-85.

[2]张长青，耿波，曾嵩，安永日.云南普立悬索桥粘滞阻尼器参数研究[J].中外公路，2011（03）：191-194.

[3]孙卓.粘滞阻尼器参数对悬索桥抗震性能影响研究[J].广州大学学报（自然科学版），2006（05）：85-90.

[4]梁鹏，吴向男，李万恒，徐岳.三塔悬索桥纵向约束体系优化[J].中国公路学报，2011（01）：59-67.

[5]邓玮琳，李闯.中等跨度斜拉桥抗震结构体系研究[J].中国市政工程，2013（06）：86-89，109.

[6]卢桂臣，胡雷挺.西堠门大桥液体粘滞阻尼器参数分析[J].世界桥梁，2005（02）：43-45.

[7]陈虎.粘滞阻尼器在自锚式悬索桥中的减隔震应用研究[J].城市道桥与防洪，2009（05）：179-182，15.

[8]易壮鹏，康厚军，王连华.基于Kelvin模型的粘弹性浅拱的动力稳定性[J].动力学与控制学报，2009（03）：212-216.

[9]支浩迪.Kelvin模型和Maxwell模型在基底摇摆隔震中的比较[J].铁道建筑技术，2015（09）：62-64，79.

[10]王孝然，申永军，杨绍普.单自由度系统强迫振动下Kelvin模型和Maxwell模型的比较[J].石家庄铁道大学学报（自然科学版），2016（03）：70-75.

[11]陆运军.阻尼器耗能结构随机地震响应及地震作用取值分析[D].广西工学院，2010.

[12]马赟，高文军，张玉坤.强震山区悬索桥减隔震装置研究[J].公路交通科技（应用技术版），2014（12）：214-217.