黏滞阻尼器在半漂浮体系斜拉桥上的应用及参数优化

海 航

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

斜拉桥由梁、塔索和墩的不同组合构成了四种不同的体系结构:塔梁固结、半漂浮、漂浮和钢构。其中,半漂浮体系斜拉桥受温度和徐变影响较小,有利于减震耗能,因此在大跨径斜拉桥中应用广泛[1,2]。研究表明，主塔抗震薄弱部位常位于塔底,一旦进入塑性状态,塔顶位移很大,难以继续使用;在纵桥向,大跨径半漂浮体系斜拉桥在强震作用下梁端会产生较大纵向位移,引发主梁与相邻跨引桥的碰撞,造成灾害。为同时防止落梁震害并保持桥塔处于弹性状态,最常用的做法是增设纵向黏滞阻尼器[3，4]。

1 工程背景与分析模型

1.1 工程概况

某大桥采用非对称双塔钢箱梁双索面斜拉桥,跨径布置为(100+225+105) m=430 m,标准横断面宽度为46 m,主梁采用PK箱型断面,横隔板间距3 m;塔柱采用带X撑H型C50混凝土桥塔,高82.45 m,主跨及边跨均设置11对斜拉索,主跨及边跨钢梁侧斜拉索梁上标准索距为9 m,斜拉索采用标准强度1 860 MPa钢绞线体系;两侧过渡墩均采用三柱式桥墩,塔柱及桥墩采用承台接群桩基础,桩基采用钻孔灌注桩,按摩擦桩设计。

1.2 有限元模型

本文采用SAP2000软件建立如图1所示的全桥三维结构分析动力模型,主梁、桥塔以及过渡墩均采用空间梁单元模拟,斜拉索采用只考虑受拉桁架单元模拟并根据成桥索力对斜拉索的材料弹性模量进行Ernst修正;主桥采用半漂浮体系结构,支座布置如图2所示。

图1 全桥动力分析模型

图2 支座布置图

桩土共同作用是采用在承台底加6个方向的弹簧来模拟桩基础的作用,弹簧的刚度根据桩基础所在土层的状况和桩的布置形式按静力等效原则确定,由土层资料确定m值。

1.3 地震波的选择与输入

根据《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01-2008)[5](以下简称细则)第5.2.1款,水平设计加速度反应谱可由式1确定:

(1)

本文采用7条E2人工地震波用于分析,人工地震波反应谱与设计反应谱匹配情况如图3所示,分析结果取7条波的平均值来考虑以消除误差,在非线性时程分析时,采用纵向+竖向的地震输入方式,其中竖向地震根据细则采用水平地震折减的方式获得。

图3 人工地震波与设计反应谱匹配

2 计算结果分析

2.1 阻尼器的应用效果分析

本桥在纵桥向为半漂浮体系结构,在主梁与桥塔交界处设置纵向黏滞阻尼器能够限制主梁位移,并降低截面的地震响应。本文分析了有阻尼器和无阻尼器两种工况,有阻尼器是在塔梁交界处分别设置2个纵向黏滞阻尼器,对比有无阻尼器时关键部位位移和内力。

纵向黏滞阻尼器采用基于Maxwell非线性力学模型的Damper单元来模拟其力学特性,力学本构关系为:

F=C|v|asgn(v)

(2)

式中:C为阻尼系数;v为活塞运动速度;α为阻尼指数。

阻尼器参数取阻尼系数为1 500 kN/(m/s)和阻尼指数为0.3用于分析对比。本文重点以2个桥塔底南北两侧截面为内力分析对象，以2个桥塔顶点为位移分析对象，计算结果见表1和表2。

表1 塔底截面内力对比

表2 塔顶节点位移对比

由表1和表2可知,在E2纵向+竖向地震作用下,2#桥塔无论是塔顶节点位移还是塔底截面内力均比1#桥塔大,因此2#桥塔应为最不利部位。布置纵向黏滞阻尼器能够明显降低桥塔底截面内力和塔顶节点的纵桥向位移,其中塔底截面剪力最大能减少31.47%;塔底截面弯矩最大能减少37.20%;塔顶节点纵桥向位移最大能降低59.96%。因此,布置纵向黏滞阻尼器对桥塔内力和位移响应的减震效果非常明显。

2.2 阻尼器参数优化分析

由上式(2)可知,阻尼常数C和阻尼指数α对阻尼器减隔震效果影响最大。为进一步优化阻尼器减隔震效果,本文选取阻尼系数C范围为100～8 000 kN/(m/s);阻尼指数α分别为0.3、0.5和0.8。随着纵向黏滞阻尼器参数的变化,关键部位的位移和内力呈现出规律变化。

如图4所示,当阻尼指数α一定时,桥塔塔顶节点位移随阻尼系数C的增大而增加,但当阻尼系数C增大到500 kN/(m/s)后,阻尼系数对塔顶位移的影响逐渐变小;当阻尼系数C不变时,阻尼指数α越小则塔顶节点位移越小,减隔震效果越显著。

图4 阻尼参数对塔顶节点位移的影响

如图5所示,2#桥塔塔底弯矩始终比1#桥塔塔底弯矩大;当α=0.3时,塔底弯矩随阻尼系数先减小,在阻尼系数增大到300 kN/(m/s)后,塔底截面弯矩逐渐增大;当α=0.5时,塔底弯矩随阻尼系数先减小,在阻尼系数增大到5 000 kN/(m/s)后,塔底截面弯矩逐渐增大;当α=0.8时,塔底截面弯矩随阻尼系数的增大而一直减小。

图5 阻尼参数对塔底截面弯矩的影响

3 结 论

通过分析对比上述计算结果,可以得出以下结论:

(1)在E2纵向+竖向地震作用下,布置纵向黏滞阻尼器对桥塔内力和位移响应的减震性能显著,塔底截面剪力最大能减少31.47%;塔底截面弯矩最大能减少37.20%;塔顶节点纵桥向位移最大能降低59.96%。

(2)随着纵向黏滞阻尼器参数的变化,关键部位的位移和内力呈现出规律变化。为进一步优化阻尼器减隔震效果,综合考虑阻尼系数C和阻尼指数α对塔顶节点位移和塔底截面弯矩的影响后,本文认为本桥阻尼器参数选取为:阻尼系数C=5 000 kN/(m/s)、阻尼指数α=0.3时,其减隔震性能达到最优。