大跨度斜拉桥黏滞阻尼器设置位置优化分析

从近年我国地震的共同特点来看，提高处于路网枢纽位置的大跨度桥梁抗震显得尤其重要。实践应用中，在桥梁体系中设置阻尼器来延长结构周期，减小主梁位移，提高桥梁结构的抗震能力较为普遍。其中，非线性黏滞阻尼器以其力学性能明确、实用性强等特点在所有减震装置中占有重要地位，但是其在具有辅助墩，过渡墩的斜拉桥中，设置位置和数量还需进一步研究。

斜拉桥概况

实验桥跨径为（37+103+320+103+137）m的双塔双索面预应力混凝土斜拉桥，半漂浮体系，在2个边墩内设置辅助墩，边墩和辅助墩采用钻孔灌注桩基础，桩基均按摩擦桩设计。索塔采用双柱式变截面“H”形索塔，由上塔柱、中塔柱、下塔柱及横梁组成，塔高为107.5m，桥跨、索塔布置如图1所示。

图1 桥梁结构构造图

计算模型

根据桥梁结构的总体构造布置并考虑相邻联的影响，采用鱼脊梁模式建立桥梁结构的三维有限元模型，将桥面系的刚度及质量都集中在中间节点上，通过三维梁单元模拟，节点和斜拉索之间采用刚臂连接。斜拉索考虑垂度效应采用空间桁架单元进行模拟。采用三维梁单元来模拟桥塔、辅助墩和过渡墩。采用黏滞耗能器单元模拟结构构件支座和黏滞阻尼器，如图2所示。

图2 动力分析模型

结构的动力特性及地震输入

根据工程场地地震安全性评价报告内容，由未来50年超越概率为10%的场地地表水平峰值加速度值213（gal），按照《中国地震动参数区划图》 (GB18306-2001)中有关地震动峰值加速度与烈度的对照表，得到场地地震基本烈度为Ⅷ度。

采用安评报告中提供的3组50年超越概率为10%的人工地震波来进行地震反应分析，并提取出地震波作用下桥梁关键部位的地震响应值。由这些响应值的大小来确定各阻尼器布置方案的减震效果。地震波竖向加速度取水平向加速度的2/3，从竖向和水平向两个方向输入。表1列出了桥梁的前十阶自阵频率及其相应振型特点。图3给出了结构的振型图（前四阶振型图）。

表1 结构的动力特性分析结果

图3 结构的前四阶振型

黏滞阻尼器设置位置的确定

该斜拉桥具有辅助墩和过渡墩，其阻尼器布置方案有下列3种：

方案一：仅在塔处布置阻尼器，每个塔处布置四个纵向阻尼器;

方案二：在塔处和辅助墩处布置纵向阻尼器，塔处布置四个，辅助墩处布置两个;

方案三：在塔处和过渡墩处布置纵向阻尼器，塔处四个，过渡墩处两个。

采用非线性时程分析法对这三种方案进行了地震响应分析，分别取C为2000，5000，8000和ξ为0.2，0.5，0.8共9种工况，进行时称分析。

表2 控制截面的内力和位移

提取结构关键截面的位移、剪力以及弯矩。为了便于分析与比较，现列出C=2000，ξ=0.2时三种方案关键截面的地震响应值及其减震效果，如表2所示。

由表2可以得出，在塔处设置阻尼器主梁跨中纵向位移可以降低40%～50%，可以起到良好的减震效果，方案二和方案三的减震效果要比方案一更好，仅位移就可以再降低15%左右。然而，比较方案二和方案三，可以发现结构的位移及弯矩和剪力没有多大差别，考虑到过渡墩处情况复杂，安装阻尼器比较困难，因此采取第二种方案，在辅助墩以及桥塔处设置阻尼器。

结语

本文以某斜拉桥纵向设置黏滞阻尼器为例，设置三种不同的黏滞阻尼器布置方案，通过比较三种方案下关键截面处的地震响应值，以及考虑结构构造上的要求，最后选定方案二为最佳布置方案，即在塔处和辅助墩处布置纵向阻尼器，塔处布置四个，辅助墩处布置两个。