高低塔悬索桥阻尼器减震性能振动台试验研究

高文军，郑万山，黄福伟，唐光武

(1.桥梁工程结构动力学国家重点实验室，重庆 400067； 2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

为提高大跨度悬索桥纵向抗震性能，国外内多数大跨度悬索桥均在塔梁连接处设置了粘滞阻尼器，如江苏江阴长江大桥、浙江西堠门跨海大桥、重庆鹅公岩长江大桥等，对阻尼器的选型、减震性能和最优参数都进行了专门研究[1-3]，同时对粘滞阻尼器进行了原型性能测试[4]。近几十年来，随着振动台试验技术的不断发展，国内外学者利用振动台试验对梁式桥[5-7]、大跨度的钢桁架拱桥[8]、斜拉桥[9-12]和悬索桥[13-14]进行了抗震及减震性能研究。唐光武[8]等完成了朝天门大桥振动台试验，结果表明在弹性状态下，只要主要参数满足相似理论要求，振动台试验能够取得良好的试验结果。LI J、郭葳等[10-11]依托一座千米级斜拉桥，完成了振动台试验，结果表明粘滞阻尼器有明显的减震作用，但是输入地震动的特性会影响粘滞阻尼器的减震效果。闫聚考[13]通过振动台试验研究了行波效应对大跨多塔连跨悬索结构抗震性能的影响。目前，对高低索塔千米级悬索桥纵向地震作用下减震装置性能的振动台试验研究较少。

因此，依托云南龙江特大桥制作了1∶60的有机玻璃试验模型，在塔梁连接处设置磁流变阻尼器模拟原桥的粘滞阻尼器，完成了设计地震动下的全桥振动台试验，通过试验结果分析阻尼器的减震性能。

1 振动台模型设计

1.1 桥梁概况

云南龙江大桥为主跨1 196 m 的单跨悬索桥，主缆矢跨比为 1/10.5，主缆分跨为(320+1 196+320)m，主缆横桥向中心间距为 25.5 m，吊索顺桥向标准间距为 12.4 m。上部结构采用扁平流线形钢箱梁，如图1所示。塔柱为钢筋混凝土结构，高塔塔高169.688 m，设上下2道横梁，低塔塔高129.703 m，仅设1道上横梁，横梁为预应力混凝土结构，索塔立面如图2所示。全桥采用简支结构体系，钢箱梁约束情况为在东岸索塔和西岸索塔各设1对竖向支座、1对横向抗风支座和4套纵向粘滞阻尼器，其中高塔约束装置设置在下横梁，低塔设置在承台之间的系梁上。

单位：cm

1.2 模型相似比

根据实验室条件以及动力模型相似关系，模型长度相似比取1∶60，将钢结构部分换算为混凝土结构。模型主梁和索塔的模型材料采用有机玻璃，其弹性模量为2.67×109N/m2，密度为1.18 g/cm3，严格按照相似比进行结构设置，主缆和吊索采用钢丝绳，材料弹性模量比接近1，完全按相似比设计索结构的配重很大，原桥索结构的质量占比较小且索结构主要影响大桥的几何刚度，因此试验模型索缆结构不考虑配重。根据前期计算结果，大桥在E2地震作用下处于弹性状态，因此采用了半配重，即加速度相似比为0.5，结合长度相似比和模型材料的弹性模量可计算得到试验模型各主要物理量相似比，如表1所示。试验模型总体布置如图3所示，试验模型照片如图4所示，其中矮塔基础采用混凝土底座模拟。为研究阻尼器的减震性能，设计了2种试验模型，分别为无阻尼器试验模型(简称普通模型)和有阻尼器试验模型(简称减震模型)，其中减震模型在两侧塔梁处分别设置了1个阻尼器，其余结构与普通模型一致。

表1 试验模型各主要物理量相似常数

单位：cm

图4 试验模型照片

1.3 试验阻尼器的选择和参数

原桥每个索塔横梁处设置4个粘滞阻尼器，共8个，单个阻尼器阻尼系数C=2 500 kN/(m/s)α，速度指数α=0.3。根据模型相似比，试验模型每个塔仅设置1个试验阻尼器，因此试验阻尼器阻尼系数C试验=2 500×4/2.84×104= 352 N(m/s)0.3。根据试验阻尼器性能要求，本次试验采用美国LORD磁流变阻尼器(RD-1005-3)进行模拟。根据赵云武[15]研究成果，该型号MR阻尼器在电压为0 V，加载频率0.8 Hz～1.6 Hz，加载幅值10 mm～15 mm时，其速度-阻尼力曲线如图5所示。由图5可知，采用磁流变阻尼器其性能曲线略大于理想阻尼器曲线，速度小于10 mm/s时误差较大，大于10 mm/s后，误差在15%以内。MR阻尼器安装照片如图6所示。

图5 阻尼器速度-阻尼力曲线对比

图6 MR阻尼器安装照片

2 试验工况和测试内容

2.1 试验工况

阻尼器减震性能试验采用设计地震作用下1组E1地震波和2组E2地震波，原地震波时长20 s，根据相似比试验地震波持时约2 s。试验中分别对普通模型和减震模型下进行纵向+竖向的一致地震激励试验。为方便标记，E201表示E2地震第1组人工波，x表示纵桥向，y表示横桥向，z表示竖向。

2.2 测试内容

根据试验的目的和桥梁体系的受力特点，试验主要测试索塔塔顶纵向位移和塔梁纵向相对位移，以及索塔受力关键截面的应变。索塔测试截面和应变测点布置如图7所示，其中高塔3个截面，低塔2个截面，每个截面布置4个应变测点，通过地震作用下应变结果计算得到该测试截面的弯矩。

3 试验结果分析

3.1 塔柱弯矩

根据各截面应变测点结果计算得到截面弯矩，

如表2所示。由表2可知，减震模型索塔大部分测试截面弯矩都有所减小。其中在E101xz作用下，高塔塔底截面弯矩减小了16%，上塔柱截面弯矩减小了16%；低塔塔底截面弯矩减小了1%，塔柱上部截面弯矩减小了12%。在E201xz作用下，高塔塔底弯矩减小了15%，上塔柱截面弯矩减小了12%；低塔塔底截面弯矩增大约4%，塔柱上部截面弯矩增大了3%。在E202xz作用下，高塔塔底截面弯矩减小了8%，上塔柱截面弯矩减小了8%；低塔塔底截面弯矩增大约2%，塔柱上部截面弯矩减小了12%。从表2试验结果看到，纵向地震作用下阻尼器对高塔塔身内力有减小作用，效果良好，而对于低塔，塔底截面弯矩有增大也有减小，影响较小。

3.2 结构位移

3组地震作用下结构最大位移如表3所示。由表3可见，阻尼器对不同结构部位的影响不一致。

表2 索塔测试截面弯矩对比 N/m

阻尼器对高塔塔顶位移影响较小，甚至有增大作用，对低塔塔顶位移和塔梁相对位移则有明显减小作用，且在E2地震作用下，低塔塔顶位移要大于高塔。阻尼器对高塔塔顶纵向最大位移有增大也有减小作用，在E101xz作用下增大了50%，在E201xz作用下减小了26%，在E202xz作用下增大了13%；低塔塔顶在E101xz、E201xz和E202xz作用下分别减小了39%、12%和57%；塔梁相对位移在E101xz、E201xz和E202xz作用下分别减小了37%、38%和35%。从试验结果看到，纵向地震作用下阻尼器对高塔塔顶的位移影响与地震动输入关系较大，而阻尼器对低塔塔顶位移和塔梁相对位移有良好的减震效果，且对塔梁相对位移的影响比较稳定，各工况下位移减小量在30%～40%之间。地震作用(2 s)和震后(约6 s)的位移时程结果如图8～图10所示。由图8～图10可见，阻尼器对高塔塔顶位移的减震效果与输入地震波有关，震后位移与无阻尼器结果基本一致；低塔顶位移幅值有较明显的减小，震后位移衰减较慢，位移结果没有明显差别；阻尼器对塔梁相对位移的减震效果最为显著，地震作用中明显抑制了塔梁相对位移，位移幅值大幅下降，且震后位移衰减很快。

表3 地震作用下最大位移 mm

4 结论

1) 纵向地震作用下阻尼器对高塔塔身内力有减小作用，但减震幅度较小；阻尼器对矮塔塔底截面弯矩有增大也有减小，影响较小。总体上阻尼器对索塔内力影响较小。

2) 纵向地震作用下阻尼器对高塔塔顶位移影响较小，甚至有增大作用，塔顶位移与地震动输入关系较大，而阻尼器对矮塔塔顶位移有明显的减小作用。阻尼器对高低索塔悬索桥塔顶位移的影响不一致。

3) 阻尼器对塔梁相对位移的影响显著且稳定，各工况下最大位移减小量均在30%～40%之间，地震作用中阻尼器明显抑制了塔梁相对位移，且位移幅值大幅下降，震后位移衰减很快。