阳新高速公路桥梁粘滞阻尼器减震设计效果分析

郭建光 刘团结

摘 要：公路桥梁运行中，高烈度地震是其最大安全隐患，由其所致的次生灾害能夠造成巨大经济损失。阳新高速公路桥梁为大跨连续桥梁，处于不良地质区域，地震带活跃，发生强烈地震的可能性较大，而桥梁自身的抗震能力有限，需要减震设计处理。运用粘滞斜向阻尼器+双曲球支座，能够对横向地震、纵向地震进行有效控制。利用数值模拟分析阻尼器参数，且讨论减震效果，从而确定配置的最优方案。以相关参数为评价指标，对阻尼器加设前后易损处地震响应进行比对，明确高烈度地震荷载下阻尼器的减震效果。结果显示，液体粘滞阻尼器可协同各墩受力，增强结构整体性，还能有效弥补减震支座无法有效控制的上部结构位移缺点，降低罕遇地震力冲击和损伤桥墩。所以，在大跨度桥梁中，阻尼器能够有效抗击高烈度地震。

关键词：公路桥梁;连续梁;粘滞阻尼器;参数敏感性;减震设计效果

中图分类号：U442.55 文献标识码：A

0 引言

黄河特大桥为阳新高速濮阳段二期工程，项目所在地区为黄河冲积平原，属华北平原的一部分，地形平坦。上部地层多以粉土、粉细砂、粉质黏土为主，中下部主要为粉细砂、粉土、粉质黏土层，工程性质一般。该河段地质复杂，冲刷大，抗震设防烈度高冲刷大，主河槽冲刷水深26.09 m，滩地冲刷水深15.8 m，路段内存在软弱土，呈不连续分布，且分布无规律，场地液化土分布较发育，属抗震不利地段。其大桥跨径布置形式为（80+8×120+80）m+（80+8×120+80）m，全长2 240 m，主跨120 m，最大联长1 120 m，在同类桥梁中不多见，且位于高烈度地区，抗震设防难度大。当前主要减隔震设计为，一是延长结构的自振周期避开地震卓越周期;二类是利用阻尼耗能装置来增加结构的阻尼消耗地震能量。而双曲面球型减隔震支座不能独自完成结构的抗震功能。但是，阻尼器作为一种有效的结构保护系统，正好弥补减隔震支座不能很好控制上部结构位移的缺点。

1 工程概况

阳新高速公路濮阳段南跨黄河，北接濮范高速，河南省内路线总长39.485 5 km，黄河特大桥工程南跨越省界及北大堤，于菏泽东高寨东部跨越黄河南大堤，终于黄河大桥南桥头。高速公路阳新大桥全长8 127 m，桥宽2×16.56 m，工程地质复杂，抗震设防烈度高，冲刷大，属典型游荡性河段，主河槽摆动大，线路区域为黄河冲积平原，经过池塘和河沟较多，浅层土体中夹有含水量大、液限较高性粉质黏土和稍密状粉土，其承载力低，工程性质差，为软弱土。软弱土分布较广，厚度变化大，路区内多存在软弱土，一般为软塑～流塑状粉质黏土和稍密状粉土，其物理力学指标受地下水和地表水影响，路区软弱土勘察主要以静力触探为主，锥尖阻力一般0.5 MPa～1.0 MPa。所以，应做好不良地质大跨度桥梁抗震工作，避免影响到墩台安全。

2 模型的建立

2.1 主桥抗震设防标准

以阳新高速公路连续梁结构为研究对象，通过在墩顶处设置粘滞阻尼器，并配合双曲面球型减震隔支座，利用双曲面球型支座延长结构自振周期和粘滞阻尼器的耗能作用，分析阻尼器在高烈度地震作用下的应用效果。

2.2 震动输入

此桥桥址场地为II类，属8度区，特征周期0.45g。按照场地地震的安全性评估报告所示的地震动参数，运用50年2%的超越概率的安评波分析地震下（罕遇）非线性时程反应，加速度峰值0.39g。罕遇地震下以New mark-β法分析非线性动力时程，5%的结构阻尼比，地震波、瑞利阻尼分别按横向、纵向输入。其地震动参数值见表1。

由于此桥属于高烈度地震带，处于湿陷性黄土区，地质状况比较复杂，按照《路桥规范》要求，安评报告中的中波峰值设计为9度地震时峰值，也即是以0.63g分析其减震。

2.3 桥梁结构的模态分析

以Pitz多重向量法模态分析三元有限元模型，分析所得自振特性为：（1）缩短了连续梁基本周期，约是0.92 s，结构为短周期，纵飘型一阶振型。（2）与单跨简支梁相比，连续梁桥跨间约束影响与其具有天然的密集模态分布特征。（3）主梁受固定度约束，主梁产生纵飘整个桥墩会在此牵引下而发生纵向变形。（4）大跨连续梁一阶竖弯和横弯都相对靠前。

3 粘滞阻尼器参数值的敏感性

由于此连续梁2# ～4#墩的结构为粗柱，结构非常强，1#与5#墩的结构为细柱，结构相对弱。加之此桥属高速公路桥，地震烈度强大，桥梁抗震设计防护要求都非常高，桥面宽度非常宽，整体重量也非常重，所以，共设置阻尼器16个，计算分析如下。粘滞阻尼力和速度间的关系公式表示为：，其中，阻尼力（kN）表示为F，阻尼系数（kN.s/m）以C表示，阻尼器梁段的相对速度以V表示，单位为m/s。速度指数以表示，取值范围为0.19～2.0间，此文献对速度指数低于0.3的阻尼器进行了详细论述，认为其可靠性非常低，不建议采用此类阻尼器。

桥梁抗震作用研究的关键点主要表现在以下两方面。一是关键部位的结构内力，二是地震作用下桥梁结构的位移。此桥梁的阻尼器作用主要是纵向地震作用下桥梁墩底的受力抑制，以及纵向桥作用下桥梁关键部位的位移分析，即梁端分析。所以，利用对比梁端位移、墩底内力展开其抗震作用研究，并以此确认阻尼器参数的影响，与阻尼器阻力大小相结合，最终合理确定此桥梁阻尼器的参数。

通过分析阻尼器参数的敏感性，对梁端位移、墩底最大弯矩和剪力，以及阻尼器的最大减震效果与经济效益等进行综合考虑。其中，增加阻尼系数（C），阻尼力水平就会显著提升，增大阻尼力，不但会导致阻尼器体积质量的增加，也会增加阻尼器的加工制作要求，以及其安装施工难度。此外，增大阻尼系数，也会增强其同墩梁连接处的强度要求。所以，本文最终选定的阻尼器参数值是：C=3 000 kN.S/m，0.7。

4 减震效果分析

通过分析众多实际工程和大量研究成果，发现在强地震或地震荷载作用下，桥梁易损部位常见于墩梁、墩顶连接处和墩底处。强地震作用下，成桥墩处的混凝土容易开裂，钢筋屈服超出其结构最大承载力，致使结构能力下降，提前退出工作。尤其是强地震，桥梁上部、桥墩间极易形成较大的相对位移，从而导致落梁危险。防止落梁必须控制好斜桥、高墩桥梁、曲线桥的上部、下部结构的相对位移。

此外，在桥梁日常运用中，车辆荷载作用，刹车荷载作用，这种反复作用导致桥梁活动墩的墩梁发生滑移，而这类滑移很难自动复原。长期荷载作用下，此相对滑移距离日益增大，从而威胁桥梁结构安全和正常使用。通常情况下，桥梁设计主要借助桥梁结构自身强度去抗击地震荷载冲击，以及车辆荷载作用，这不但增加了桥梁自身结构强度的要求，也存在许多无法控制的因素，如行车制动因素，罕见地震因素等，在这些不可控因素的制约下，极易导致桥梁结构疲劳和破坏，降低其使用寿命。

由粘滞阻尼器的减震消能角度，合理选取墩梁的相对位移、墩顶的水平受力、墩底的弯矩和剪力，且以此为量化指标，分析比对架设阻尼器前、后，高强地震荷载下的桥梁结构响应状况，以此验证粘滞阻尼器减震作用的大小。限于篇幅，本文仅给出3#墩在强震50年、2%超越概率下的ST5021波设计计算结果，且考虑剪断固定支座，结构易损处的地震响应状况。

由分析结果可知，设置阻尼器后，3#墩的墩顶水平受力增加，现在降低了墩梁间的相对位移，其最大减震率为51%。其主要原因是，9度的高强度地震荷载作用破坏了桥墩的上支座，使其退出工作，整桥依靠阻尼器去连接桥墩和主梁，所以，增加阻尼器后，桥墩墩顶的剪力增加，若没有阻尼器，因支座被破坏，桥梁间的纵向就无相应的约束，墩顶的水平力非常小。然而，阻尼器的减震消能作用减小了墩梁间的相对位移，主梁纵向滑移得到控制，整个桥梁的稳定性得到加强。

加用阻尼器之后，高强地震的荷载作用下，3#墩的墩底弯矩、剪力等都明显减小，最大剪力减震率约为4%，最大弯矩减震率约为6%。通过分析比较其他桥墩、墩底的弯矩受力状况发现，除3#墩外，5#墩、1#墩的墩底弯矩明显下降，4#墩、2#墩的墩底弯矩明显增加，但桥墩的整体受力明显减小。这说明，加用阻尼器之后，各桥墩的受力被重新分配，桥梁的整体受力变得更加均衡，部分地震能量被阻尼器耗能作用所吸收，桥梁受到的整体地震力明显降低。

5 结论

因高强地震区的地震具有超强的破坏性和随机性，大跨度桥梁自身强度能够抵抗地震冲击，但却不能完全避免地震冲击的破坏性，加用粘滞阻尼器減隔震装置，可以通过强化桥墩、桥梁结构来抵抗地震的破坏力。大量工程实践及研究成果证实，加用阻尼器，能够有效消能减震，进而保护桥体。选用粘滞阻尼器设计桥梁减震时，需要首先确定相关的良好指标，如桥墩内力、梁段位移等，通过分析阻尼器参数的敏感性优化和确定最优的设置方案。设置液体粘滞阻尼器，能够有效降低罕遇地震所致的墩梁相对位移、主梁的纵向振动位移幅值，进而有效规避或减少落梁的发生几率。

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