黏滞阻尼器对某斜拉桥地震响应影响规律研究

李德富

（中交远洲交通科技集团有限公司 山西分公司，山西 太原 030006）

0 引言

地震是一种较为常见的地质运动，其出现的规律及地点分布具有较强的随机性，与地质构造有着密切的联系。产生地震的主要原因可分为：火山地震、陷落地震、构造地震、诱发地震[1]。斜拉桥是一种由桥塔、主梁、斜拉索3种构件组成的桥梁结构体系[2]，其中桥塔主要承担压应力，主梁承担弯矩，斜拉索承担拉应力[3]。由于地震灾害既不可避免，又较难预测，因此对桥梁结构造成了众多损害。鉴于地震对桥梁结构的强大破坏性，给桥梁增加减隔震保护系统来减轻地震带来的损害，是一种较为合理、可行的方案。

黏滞阻尼器在我国桥梁工程领域得到了广泛应用，例如宁波甬江特大桥安装了8个黏滞阻尼器[4]，该黏滞阻尼器安装于桥面与横梁之间，其主要作用是降低桥梁结构的地震响应[5]，以此减轻地震带来的影响。

本文以某斜拉桥为依托，建立了Midas Civil有限元模型，考虑了不设置阻尼器、主塔布置阻尼器、主塔+辅助墩1布置阻尼器、主塔+辅助墩2布置阻尼器、主塔+辅助墩3布置阻尼器5种工况，对各工况下的模型进行了地震波时程分析，分析了黏滞阻尼器对该桥梁地震作用下的结构响应影响。

1 工程概况

该依托工程主桥桥跨布置为：（70+70+70+658+70+70+70）m，全长1 108 m，为双塔双索面半漂浮体系斜拉桥，桥面布置如图1所示。

图1 桥梁立面布置图（单位：m）

该桥梁结构类型为混合梁斜拉桥，西侧边跨及东侧大堤外边跨采用重量大、便于支架法施工的混凝土箱梁结构；由于主跨位于水中及东侧跨大堤孔受跨径限制，所以采用了重量轻、便于悬臂拼装施工的钢箱梁。西侧钢混结合面设置在跨中段距索塔14.75 m处，东侧钢混结合面设置在次边跨段距辅助墩9.85 m处，西边跨混凝土箱梁总长度为223.59 m，钢箱梁总长度733.4 m，东边跨混凝土箱梁总长度为148.69 m。

该桥梁的主要设计标准如下：

a）道路等级 城市主干道；

b）设计车速 60 km/h；

c）设计荷载 城市 A级；道路荷载标准：BZZ-100标准车；人群荷载；

d）车道宽度 双向六车道，车道宽（3.5+3.5+3.5）m；非机动车道3.5 m（含护栏）；人行道2 m（含护栏）；

e）桥梁设计基准期 100年；

f）桥梁设计使用年限 100年；

g）桥梁安全等级 一级；

h）通航净空 单孔双向通航孔，净高10 m，净宽150 m，最高通航水位40.28 m；

i）抗风设计 运营阶段设计重现期100年，施工阶段设计重现期30年；

j）抗震设计 地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35 s；

k）设计洪水频率 300年一遇，设计水位42.81 m；

l）坐标系统 湘潭市独立坐标系；

m）高程系统 1985国家高程系统。

2 有限元模型的建立

2.1 实体模型

建立全桥三维空间有限元计算模型，全桥模型如图2所示。建立空间模型时所采用的整体坐标系为：顺桥向为X轴方向，其正向指向东岸（大里程侧）；横桥向为Y轴方向，其正向为顺流方向；竖向为Z轴方向，向上为正，水平坐标原点位于主桥跨中中轴线处，高程0点与两阶段施工图设计一致。按有限位移理论，采用通用有限元分析软件Midas进行全桥空间结构非线性分析。全桥空间结构模型中共用了887个节点，704个单元，其中斜拉索单元168个，梁单元536个；弹性连接34个，刚性连接21个，截面类型共有72种。

图2 全桥结构离散图

2.2 黏滞阻尼器

缸式黏滞阻尼器主体是由缸体、活塞、活塞杆和内部黏滞流体组成，外部结构可通过活塞杆带动活塞进行移动，但内部黏滞材料对活塞运动造成阻力，最终使得桥梁结构承担的地震阻力转换为缸体内能。

式中：F表示阻尼力；C表示阻尼系数；V表示活塞与缸体的相对速度；a表示指数，其常用值范围在0.3～1.0之内。

当桥梁的减隔震阻尼器安装于桥梁中时，其支撑作用仅在桥梁承受较大地震荷载时才发挥，从而达到减隔震的作用，当桥梁承担静力荷载时，阻尼器并不参与工作。本节在左侧、右侧主塔与主梁连接处各添加纵向黏滞阻尼器，黏滞阻尼器的阻尼系数取值为2 000 kN/(m/s)a，阻尼指数取值为0.3。

2.3 黏滞阻尼器布置方案

为研究有无阻尼器对桥梁在地震作用下的结构响应影响，本文选取以下4种黏滞阻尼器布置方案：

a）方案一 主塔与主梁（墩梁连接处）布置竖向阻尼器。

b）方案二 主塔+辅助墩1（墩梁连接处）布置竖向阻尼器。

c）方案三 主塔+辅助墩2（墩梁连接处）布置竖向阻尼器。

d）方案四 主塔+辅助墩3（墩梁连接处）布置竖向阻尼器。

注：如图1所示，辅助墩1、辅助墩2、辅助墩3表示距主塔由远到近的桥墩。

2.4 地震波的模拟

E1、E2地震波的模拟如图3所示。

图3 地震波

3 计算结果分析

3.1 静力计算结果

对该模型添加设计荷载，在不考虑阻尼器的情况下，对其成桥状态进行分析。桥梁成桥状态主梁弯矩计算结果如图4a所示，活载作用下主梁最大挠度如图4b所示。由图4可以得知：

图4 静力计算结果

a）桥梁成桥状态下最大正弯矩出现在桥塔主梁处，桥塔处主梁最大正弯矩为328 541 kN·m，桥梁跨中截面最大负弯矩数值为-198 000 kN·m。

b）在桥塔处主梁最大变形值为-20 mm，桥梁主梁跨中截面最大位移值为-51.8 mm。

3.2 无阻尼器状态下地震时程分析

桥梁在地震荷载两类工况作用下的主跨跨中截面时程分析结果如图5所示，图中横坐标表示时间参数，时间统一为52 s，纵坐标为主梁跨中截面参数值。

图5 无阻尼状态下桥梁地震时程分析结果

a）主梁跨中时程位移值范围为-1.3 m～+1.1 m。

b）主梁跨中弯矩时程范围为-100 013.4 kN·m～+100 033.7 kN·m。

注：“竖向+纵向”工况表示地震荷载沿着纵向和竖向两个方向作用于桥梁；“竖向+横向”工况表示地震荷载沿着横向和竖向两个方向作用于桥梁。

3.3 参数分析

提取跨中截面位移、加速度、速度值、弯矩值，主塔塔顶位移、轴力时程计算结果的峰值参数如图6所示，可知：

图6 不同纵向黏滞阻尼器时程计算结果峰值参数对比

a）方案二、方案三、方案四位移分别为主塔布置阻尼器方案的98.1%、96.5%、96.2%，增设阻尼器后可减小跨中截面位移值。

b）方案二、方案三、方案四的跨中截面加速度分别为主塔布置阻尼器方案的98.9%、98.5%、98.5%，增设阻尼器后可减小跨中截面加速度值。

c）方案二、方案三、方案四的跨中截面速度分别为主塔布置阻尼器方案的98.8%、97.5%、96.8%，增设阻尼器后可减小跨中截面速度值。

d）方案二、方案三、方案四的跨中截面弯矩值分别为主塔布置阻尼器方案的99.3%、98.5%、97.8%，增设阻尼器后可减小跨中截面弯矩值。

e）方案二、方案三、方案四的塔顶位移分别为主塔布置阻尼器方案塔顶位移值的97.6%、98.1%、97.8%，增设阻尼器后可减小跨中截面塔顶位移值。

f）方案二、方案三、方案四的塔顶轴力分别为主塔布置阻尼器方案塔顶轴力值的98.9%、97.8%、97.2%，增设阻尼器后可减小跨中截面塔顶轴力值。

4 结语

本文以某斜拉桥为依托，建立Midas Civil有限元模型，分析了黏滞阻尼器对该桥梁在地震作用下的结构响应，最终得到以下结论：

a）桥梁成桥状态下桥塔处主梁最大正弯矩为328 541 kN·m，桥梁跨中截面最大负弯矩数值为-543 977 kN·m，在桥塔处主梁最大变形值为-20 mm，桥梁主梁跨中截面最大位移值为-51.8 mm。

b）当在桥梁辅助墩上添加纵向黏滞阻尼器后，桥梁的各项结构动力性能虽然在一定程度上有所降低，但并不显著。

c）综合考虑经济性等因素，主塔布置阻尼器的方案仍为该桥的最佳阻尼器布置方案。