大跨度混合梁斜拉桥塔梁间粘滞阻尼器参数比选及减震效果分析

胡国辉

（广东省交通规划设计研究院股份有限公司）

1 前言

混合梁斜拉桥与钢主梁斜拉桥相比，其工程造价更加经济；与混凝土梁斜拉桥相比，具备跨越能力更强、质量更轻等优势，在国内外大跨度桥梁结构设计中被广泛地采用，如上海杨浦大桥（主跨为602m 的钢混叠合梁，边跨为混凝土梁）、望东长江公路大桥（主跨为638m 的P K 型分离双箱钢混叠合梁，边跨为混凝土梁）、南宁青山大桥（主跨为430m 的分离式双箱钢混叠合梁）。由此可见，主跨为叠合梁形式的混合斜拉桥在设计跨度为400m 至700m 的领域内占有非常重要的地位。在塔梁间设置纵向粘滞阻尼器是大跨度斜拉桥较为常规的减隔震手段，故选取合理的粘滞阻尼器参数也是斜拉桥设计中的重要课题。

2 工程概况

某大跨度斜拉桥为7 跨连续半漂浮体系双塔双索面混合式叠合梁斜拉桥， 全桥跨径组合为（56.8m+64.8m+66.4m+530m+66.4m+64.8m+56.8m），主跨主梁为钢-混叠合梁，边跨主梁为混凝土箱梁，全桥共设两个钢混结合段，均位于主跨内距主塔9.45m 处，钢-混叠合梁总长为511.1m，采用A 字形主塔，主塔共有3 道横梁，全桥上部结构对称布置。斜拉索采用空间双索面呈扇形布置，主塔两侧各分布24 对拉索，全桥共96 对斜拉索；主跨叠合梁拉索锚固间距为10.5m，边跨混凝土梁拉索锚固间距为7.2m，塔上锚固竖向间距为2.2～2.5m，桥型总体布置图如图1 所示。

3 粘滞阻尼器的介绍

3.1 粘滞阻尼器应用现状

图1 桥型总体布置图

粘滞阻尼器是一种由缸体、活塞和粘滞性流体组成的减震耗能装置，缸体内部充满粘滞流体，活塞可在缸内往复运动，活塞上留有适当大小的小孔[1]。粘滞阻尼器的工作原理主要以其自身的粘滞性材料剪切耗能，是一种与速度相关的被动减震装置，在大幅振动和小幅振动下都能耗能减震，同时质量以及刚度效应较小，对于桥梁结构而言，基本不会产生附加刚度和附加质量；不会影响结构在温度变化、静风荷载、混凝土收缩徐变等静载作用下的变形，也不会对结构内部产生附加内力。近十几年来，我国所修建的桥梁也越来越多地运用粘滞阻尼器作为主要的减震措施，如2000 年建成的重庆鹅公岩长江大桥（主跨跨径为600m 的钢箱梁悬索桥）通过设置纵向粘滞阻尼器减少大桥在地震荷载、车辆荷载以及风荷载等可变动荷载作用下的顺桥向变形；2003 年正式建成通车的上海卢浦大桥在塔、墩及桥面的伸缩缝处设置粘滞阻尼器以减小荷载作用下伸缩缝的变形和位移。国内目前跨度最大的斜拉桥——苏通大桥则使用一组特大型阻尼器（最大阻尼力为6580k N，最大阻尼器行程为850mm）作为减震措施，该阻尼器设计组首次为该阻尼器加设了附加限位装[2]。在南京长江三桥引桥上已经设置了54 个阻尼器，单个阻尼器最大阻尼力为1540k N，阻尼器最大行程为150mm；位于吉林省龙岩松花江的一座7 跨连续梁桥上安置了16 个1800k N 的锁定装置；我国著名的悬索桥江阴长江大桥上也将安置4个特大型阻尼器，阻尼器尺寸为6.85m，单个阻尼器最大阻尼力为1000k N，阻尼器的最大行程为1000mm。

3.2 粘滞阻尼器力学模型

液体粘滞型阻尼器是一种跟速度相关的阻尼器，它产生的阻尼力与速度密切相关，当阻尼器被快速拉伸或者快速压缩时，产生的阻尼力相对较大；反之，当阻尼器被缓慢拉伸或者缓慢压缩时，产生的阻尼力相对较小。阻尼力的计算公式如式⑴所示[3]。

式中，

F——阻尼力；

C——阻尼系数；

α——阻尼指数；

V——阻尼器的运动速率。

4 阻尼器参数比选及减震效果分析

该特大桥主桥全桥纵向无约束，为半漂浮体系。通过非线性时程分析计算得出全桥主塔塔顶以及主梁梁端位移过大，为了减小斜拉桥主梁的纵向位移，通常在主塔横梁与主梁结合处各设置2 个纵向阻尼器，成对称布置，全桥共设置4 个纵向阻尼器，以减小主梁以及塔顶的纵向位移。根据参考文献，工程上粘滞阻尼器的阻尼指数一般取0.2～1。本文所取阻尼指数以及阻尼系数如表1 所示，考虑桩-土-结构相互作用，在E2 组合（顺桥向+0.667 竖向）地震作用下，运用非线性时程分析方法，进行阻尼器参数的交叉比选。

表1 阻尼器参数比选工况

图2 斜拉桥有限元模型离散图

4.1 阻尼器参数比选分析

综合斜拉桥结构在设置阻尼器工况计算结果考虑，粘滞阻尼器最优的参数组合为：阻尼系数c=5000k N/（m/s）α，阻尼指数α=0.2，此时塔梁间最大相对位移、主塔塔顶最大顺桥向位移以及主梁梁端位移均为最小值，而阻尼器的最大阻尼力此时出现最大值。考虑到工程实际中粘滞阻尼器的经济性和耐用性，因此该桥的纵向粘滞阻尼器的最优参数组合取为：阻尼系数c=5000k N/（m/s）α，阻尼指数α=0.3。

4.2 阻尼器减震效果分析

本文选取斜拉桥塔梁间纵向粘滞阻尼器的参数组合为阻尼系数c=5000k N/（m/s）α，阻尼指数α=0.3，通过与未设置塔梁间纵向粘滞阻尼器的模型在E2 组合（纵向+0.667 竖向）地震作用下的结构内力及位移响应进行对比分析，结果如表2 所示。

表2 阻尼器减震效果分析（c=5000k N/（m/s）α，α=0.3）

图3 地震响应随阻尼器参数变化

大跨度斜拉桥结构在组合地震作用下，有阻尼器模型响应和无阻尼器响应差别明显，顺桥向关键节点位移减小率均达到68%以上，对内力响应而言，主塔塔底最大剪力减小率为28.02%，最大减小率达44.88%，而弯矩减小更为明显，主塔塔底弯矩最小减小率达53.08%，最大减小率达66.14%。这说明，设置塔梁间纵向粘滞阻尼器不仅可以减小结构的位移，而且可以减小结构关键截面的内力，对于大跨度斜拉桥抵抗地震作用有明显的改善效果。

5 结论

通过对该斜拉桥不同阻尼器参数工况作用下的地震响应分析，得出以下结论：

⑴综合斜拉桥在设置阻尼器工况计算结果考虑，粘滞阻尼器最优的参数组合为：阻尼系数c=5000k N/（m/s）α，阻尼指数α=0.2，此时塔梁间最大相对位移、主塔塔顶最大顺桥向位移以及主梁梁端位移均为最小值，而阻尼器的最大阻尼力此时出现最大值。考虑到工程实际中粘滞阻尼器的经济性和耐用性，因此该桥的纵向粘滞阻尼器的最优参数组合取为：阻尼系数c=5000k N/（m/s）α，阻尼指数α=0.3。

⑵在塔梁间设置纵向粘滞阻尼器是一种非常有效的消能减震的措施，能够有效地减小结构关键节点的位移和改善结构关键截面的内力。

⑶阻尼器对于结构内力和变形的改善效果取决于阻尼器阻尼系数和阻尼指数的取值，斜拉桥主塔塔底在适当的参数组合下会出现极小值；而主塔塔底弯矩则随阻尼系数的增大而减小，随着阻尼指数的增大而增大；主塔塔顶以及主梁梁端位移随着阻尼系数的增大而减小，随着阻尼指数的增大而增大。●